RU2491987C2 - Method of producing superhard composite material - Google Patents
Method of producing superhard composite material Download PDFInfo
- Publication number
- RU2491987C2 RU2491987C2 RU2011146655/05A RU2011146655A RU2491987C2 RU 2491987 C2 RU2491987 C2 RU 2491987C2 RU 2011146655/05 A RU2011146655/05 A RU 2011146655/05A RU 2011146655 A RU2011146655 A RU 2011146655A RU 2491987 C2 RU2491987 C2 RU 2491987C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon
- gpa
- alloy
- pressure
- superhard
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 13
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 35
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 35
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 33
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims abstract description 28
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims abstract description 26
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N C60 fullerene Chemical compound C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 16
- 229910003472 fullerene Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims abstract description 14
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000002113 nanodiamond Substances 0.000 claims abstract description 7
- 229910000906 Bronze Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 229910000792 Monel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract 2
- ATLMFJTZZPOKLC-UHFFFAOYSA-N C70 fullerene Chemical compound C12=C(C3=C4C5=C67)C8=C9C%10=C%11C%12=C%13C(C%14=C%15C%16=%17)=C%18C%19=C%20C%21=C%22C%23=C%24C%21=C%21C(C=%25%26)=C%20C%18=C%12C%26=C%10C8=C4C=%25C%21=C5C%24=C6C(C4=C56)=C%23C5=C5C%22=C%19C%14=C5C=%17C6=C5C6=C4C7=C3C1=C6C1=C5C%16=C3C%15=C%13C%11=C4C9=C2C1=C34 ATLMFJTZZPOKLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 3
- 239000010974 bronze Substances 0.000 claims description 3
- KUNSUQLRTQLHQQ-UHFFFAOYSA-N copper tin Chemical compound [Cu].[Sn] KUNSUQLRTQLHQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 2
- 229910000676 Si alloy Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 16
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 6
- 239000010703 silicon Substances 0.000 abstract description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 238000005065 mining Methods 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 238000005555 metalworking Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000010327 methods by industry Methods 0.000 abstract 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 15
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 11
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 10
- 239000003708 ampul Substances 0.000 description 9
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 7
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 6
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 6
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 4
- 238000005474 detonation Methods 0.000 description 4
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 4
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 4
- 239000004575 stone Substances 0.000 description 4
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 4
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 4
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 3
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 3
- 229910001339 C alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 2
- 238000001739 density measurement Methods 0.000 description 2
- 238000001493 electron microscopy Methods 0.000 description 2
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 2
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 2
- QMQXDJATSGGYDR-UHFFFAOYSA-N methylidyneiron Chemical compound [C].[Fe] QMQXDJATSGGYDR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 2
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 2
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 210000002706 plastid Anatomy 0.000 description 2
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 2
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 2
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 2
- GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N vanadium Chemical compound [V]#[V] GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000975 Carbon steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001347 Stellite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000005422 blasting Methods 0.000 description 1
- 239000013590 bulk material Substances 0.000 description 1
- 239000010962 carbon steel Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- AHICWQREWHDHHF-UHFFFAOYSA-N chromium;cobalt;iron;manganese;methane;molybdenum;nickel;silicon;tungsten Chemical compound C.[Si].[Cr].[Mn].[Fe].[Co].[Ni].[Mo].[W] AHICWQREWHDHHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007596 consolidation process Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 239000007888 film coating Substances 0.000 description 1
- 238000009501 film coating Methods 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 150000002484 inorganic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000000462 isostatic pressing Methods 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000001603 reducing effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 239000011863 silicon-based powder Substances 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к получению композиционного материала, а именно к способу получения сверхтвердого композиционного материала на основе углерода, который может быть использован для изготовления инструментов для горнодобывающей, камнеобрабатывающей и металлообрабатывающей промышленности.The invention relates to the production of composite material, and in particular to a method for producing a superhard composite material based on carbon, which can be used for the manufacture of tools for the mining, stone processing and metal processing industries.
В настоящее время большинство ведущих фирм развитых стран перешли на оснащение породоразрушающего и металлообрабатывающего инструмента синтетическими алмазами, вместо природных алмазов. Большое внимание уделяется созданию новых композиционных материалов, как на основе известных, так и на основе относительно недавно открытых новых модификациях углерода с другими элементам.Currently, most of the leading firms in developed countries have switched to equipping rock cutting and metalworking tools with synthetic diamonds instead of natural diamonds. Much attention is paid to the creation of new composite materials, both based on well-known and on the basis of relatively recently discovered new modifications of carbon with other elements.
Известен патент РФ №2329947, МПК: С01В 31/6, С04В 35/52, приоритет от 24.10.2006 г.. «Способ получения сверхтвердого поликристаллического материала». Исходные компоненты: алмазные порошки, в том числе детонационный алмаз; материал для пропитки - кремний. Слои алмазного порошка и материала пропитки, находящиеся в контакте, располагают послойно на шихте. Слой алмазного порошка разделяют на два слоя. В одном из слоев, который контактирует с материалом пропитки, используют алмазный порошок алмаза с размерами частиц от 20/14 до 2/1 мкм, дополнительно в него вводят детонационный алмазный порошок с размерами частиц в диапазоне от 1 до 100 нанометров. Во втором слое, контактирующим с первым, используют алмазный порошок с размерами частиц в диапазоне от 40/28 до 28/20 мкм, причем высота этого слоя по отношению к первому составляет от 2:1 до 3:1. В качестве материала пропитки используют кремний или материалы его содержащие, например смесь порошков кремния, чешуйчатого графита и детонационного алмаза. На заготовку воздействуют давлением 3-8 ГПа, температурой 1200-2000°C, в течение 40-120 секунд. Полученный материал может быть использован для изготовления режущего инструмента.Known RF patent №2329947, IPC: СВВ 31/6, С04В 35/52, priority dated 10.24.2006, “Method for producing superhard polycrystalline material”. Initial components: diamond powders, including detonation diamond; the material for impregnation is silicon. The layers of diamond powder and impregnation material in contact are placed layer by layer on the charge. The layer of diamond powder is divided into two layers. In one of the layers, which is in contact with the impregnation material, diamond powder of diamond with particle sizes from 20/14 to 2/1 microns is used, and detonation diamond powder with particle sizes in the range from 1 to 100 nanometers is additionally introduced into it. In the second layer in contact with the first, diamond powder is used with particle sizes in the range from 40/28 to 28/20 μm, the height of this layer relative to the first being from 2: 1 to 3: 1. Silicon or materials containing it, for example, a mixture of silicon powders, flake graphite and detonation diamond, are used as the impregnation material. The workpiece is affected by a pressure of 3-8 GPa, a temperature of 1200-2000 ° C, for 40-120 seconds. The resulting material can be used to make a cutting tool.
Недостатками предложенного способа являются:The disadvantages of the proposed method are:
- нестабильность свойств по всему объему образцов;- instability of properties throughout the volume of samples;
- затруднена инфильтрация связующего компонента в заготовки из наноалмазов.- difficult to infiltrate the binder component in the workpiece from nanodiamonds.
Известен способ получения новых сверхтвердых материалов из фуллерена С-60 в соответствии с патентом РФ №2127225; С01В 31/06, приоритет от 11.10.1996 «Сверхтвердый углеродный материал, способ его получения и изделие, выполненное из углеродного материала».A known method of producing new superhard materials from fullerene S-60 in accordance with the patent of the Russian Federation No. 2127225; СВВ 31/06, priority from 10/11/1996 "Superhard carbon material, method for its preparation and product made from carbon material."
В качестве исходного углеродного материала используют аллотропную форму углерода - фуллерен С-60. На фуллерен С-60 воздействуют квазигидростатическим давлением 7.5-37 ГПа и температурой, выбранной в интервале 20-1830°C с выдержкой не менее одной секунды, в аппаратах высокого давления: типа «тороид», типа наковален Бриджмена и др. При воздействии на исходный фуллерен давления и температуры происходит полимеризация молекул или фрагментов молекул фуллерена. В зависимости от используемых аппаратов получают продукт в виде пленок (в наковальнях Бриджмена) или в виде объемных образцов, используя другие виды аппаратов. Компактные образцы материала имеют высокие механические и электрофизические свойства. Например, индентерами из полимеризованного фуллерена можно наносить царапины на гранях монокристаллов алмаза. При этом по данным рентгеновского анализа, структура полученного целевого продукта отличается от структуры алмаза и зависит от значений параметров при термобарической обработке исходного материала. Способ позволяет перед полимеризацией из исходного фуллерена формовать заготовку изделия, имеющую заданную форму.An allotropic form of carbon — fullerene C-60 — is used as the starting carbon material. The C-60 fullerene is exposed to a quasi-hydrostatic pressure of 7.5-37 GPa and a temperature selected in the range of 20-1830 ° C with a holding time of at least one second in high-pressure apparatuses: toroid type, Bridgman type anvil, etc. When exposed to the original fullerene pressure and temperature polymerization of molecules or fragments of fullerene molecules occurs. Depending on the apparatus used, the product is obtained in the form of films (in Bridgman anvils) or in the form of bulk samples using other types of apparatus. Compact material samples have high mechanical and electrophysical properties. For example, polymerized fullerene indenters can scratch the faces of diamond single crystals. Moreover, according to x-ray analysis, the structure of the obtained target product differs from the structure of diamond and depends on the parameter values during thermobaric processing of the starting material. The method allows, prior to polymerization, to form a product blank having a predetermined shape from the starting fullerene.
Несмотря на высокие механические свойства новых сверхтвердых материалов, полученных из фуллерена при его полимеризации в условиях высоких давлений и температур, применение этих материалов в инструментах затруднено из-за низкой теплопроводности.Despite the high mechanical properties of new superhard materials obtained from fullerene during its polymerization under conditions of high pressures and temperatures, the use of these materials in tools is difficult due to the low thermal conductivity.
Предложен способ получения сверхтвердых частиц из фуллерена С-60 и значительное увеличение износостойкости материала на основе железа в патенте РФ №2123473, с приоритетом от 07.05.1998 г., МПК С01В 31/06, С22С 26/00, «Способ получения сверхтвердых углеродных частиц и износостойкий материал, объемносодержащий эти частицы».A method for producing superhard particles from C-60 fullerene and a significant increase in the wear resistance of an iron-based material in the RF patent No. 21343473, with a priority of 05/07/1998, IPC СВВ 31/06, С22С 26/00, "Method for producing superhard carbon particles and wear-resistant bulk material containing these particles. "
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению сверхтвердых углеродных частиц в объеме железоуглеродистых сплавов, используемых для изделий, работающих в условиях износа. Предложен способ получения сверхтвердых углеродных частиц размерами до 0,5 мм, заключающийся в прессовании смеси порошков железа и фуллеритов, синтезе сверхтвердых углеродных частиц при высоких давлениях и температурах и последующем извлечением этих частиц, отличающийся тем, что изостатическое прессование проводят при низком давлении 2,5-4,5 ГПа и температурах 1000-1200°C. Изобретение также включает износостойкий материал, содержащий железо или углеродистую сталь и сверхтвердые углеродные частицы размером до 0,5 мм и в количестве до 20%. Технический результат изобретения заключается в увеличении размера и количества сверхтвердых частиц в объеме железоуглеродистых сплавов и в получении материала, износостойкость, которого превосходит износостойкость известных сплавов Х12М и стеллита.The invention relates to powder metallurgy, in particular to the production of superhard carbon particles in the volume of iron-carbon alloys used for products operating under wear conditions. A method for producing superhard carbon particles up to 0.5 mm in size is proposed, which consists in pressing a mixture of iron and fullerite powders, synthesizing superhard carbon particles at high pressures and temperatures, and then extracting these particles, characterized in that the isostatic pressing is carried out at a low pressure of 2.5 -4.5 GPa and temperatures of 1000-1200 ° C. The invention also includes a wear-resistant material containing iron or carbon steel and superhard carbon particles up to 0.5 mm in size and in an amount of up to 20%. The technical result of the invention is to increase the size and quantity of superhard particles in the volume of iron-carbon alloys and to obtain a material with a wear resistance that exceeds that of the known X12M and stellite alloys.
Недостатком является ограниченное применение материала в инструментах, предназначенных для породоразрушающих работ.The disadvantage is the limited use of the material in tools designed for rock cutting.
Известен алмаз - углеродный материал и способ его получения (пат. №2359902, с приоритетом от 30.12.2005 г. МПК. С01В 31/06, В82В 3/00) согласно этому изобретению алмаз -углеродный материал содержит углерод, водород, азот и кислород, причем материал содержит углерод в виде алмазной кубической модификации и в рентгеноаморфной фазе в соотношении (40-80)/(60-20) по массе углерода соответственно, и при этом содержащий, мас.%:Known diamond is a carbon material and a method for its production (US Pat. No. 2359902, with priority from 12/30/2005 IPC. C01B 31/06, B82B 3/00) according to this invention, the diamond-carbon material contains carbon, hydrogen, nitrogen and oxygen moreover, the material contains carbon in the form of a diamond cubic modification and in the X-ray amorphous phase in the ratio (40-80) / (60-20) by weight of carbon, respectively, and while containing, wt.%:
Способ для получения этого материала включает детонацию углеродсодержащего взрывчатого вещество с отрицательным кислородным балансом в замкнутом объеме газовой среды, инертной к углероду, в окружении конденсированной фазы, содержащей восстановитель при количественном соотношении массы восстановителя в конденсированной фазе к массе используемого углеродсодержащего взрывчатого вещества не менее 0,01:1. В качестве восстановителя используют неорганическое или органическое соединение, обладающее восстановительными свойствами, предпочтительно не содержащее атомов кислорода и галогенов. Для определения элементарного состава алмаз-углеродного материала, материал подвергают выдержке при температуре 120-140°C под вакуумом 0,01-10,0 Па в течении 3-5 ч. и последующую его обработку при температуре 1050-1200°C потоком кислорода со скоростью, обеспечивающей его сжигание в течении 40-50 с.A method for producing this material involves detonation of a carbon-containing explosive with a negative oxygen balance in a closed volume of a gas medium inert to carbon surrounded by a condensed phase containing a reducing agent with a quantitative ratio of the mass of the reducing agent in the condensed phase to the mass of the used carbon-containing explosive not less than 0.01 :one. An inorganic or organic compound having reducing properties, preferably containing no oxygen atoms and halogens, is used as a reducing agent. To determine the elemental composition of diamond-carbon material, the material is subjected to exposure at a temperature of 120-140 ° C under a vacuum of 0.01-10.0 Pa for 3-5 hours and its subsequent processing at a temperature of 1050-1200 ° C with an oxygen stream speed, providing its burning within 40-50 s.
Материал может быть использован при изготовлении полировально-финишных композиций, пленочных покрытий, радиационно стойких материалов.The material can be used in the manufacture of polishing and finishing compositions, film coatings, radiation-resistant materials.
Недостатком предполагаемого технического решения является ограниченное его применение.The disadvantage of the proposed technical solution is its limited use.
Наиболее близким техническим решением является способ изготовления спеченного алмазного изделия с высокой износостойкостью и высокой прочностью (пат. Р.Ф. №2347744 с приоритетом от 26.07.2005 г. МПК. С01B 31/06, C04B 35/52 «Спеченное алмазное изделие с высокой прочностью и высокой износостойкостью и способ его изготовления»). Согласно этому техническому решению спеченное алмазное изделие, содержит спеченные частицы алмаза, имеющие средний размер частиц, самое большее 2 мкм и фазу связующего вещества, в качестве оставшейся части, в котором содержание указанных спеченных частиц в указанном спеченном алмазном изделии составляет, по меньше мере, 80 об.% и самое большее 98 об.%. Связующее вещество содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из титана, циркония, гафния, ванадия, ниобия, тантала, хрома и молибдена, содержание которого титана, циркония, гафния, ванадия, ниобия, тантала, хрома и молибдена, содержание которого равно, по меньшей мере, 0,5 мас.% и меньше чем 50 мас.% и содержит кобальт, содержание которого равно, по меньшей мере, 50 мас.% и меньше, чем 99,5 мас.%.The closest technical solution is a method of manufacturing a sintered diamond product with high wear resistance and high strength (Pat. RF No. 2347744 with priority dated July 26, 2005 IPC. C01B 31/06, C04B 35/52 "Sintered diamond product with high strength and high wear resistance and method of its manufacture ”). According to this technical solution, the sintered diamond product contains sintered diamond particles having an average particle size of at most 2 μm and a binder phase, as the remaining part, in which the content of said sintered particles in said sintered diamond product is at least 80 vol.% and at most 98 vol.%. The binder contains at least one element selected from the group consisting of titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium and molybdenum, the content of which is titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium and molybdenum , the content of which is at least 0.5 wt.% and less than 50 wt.% and contains cobalt, the content of which is equal to at least 50 wt.% and less than 99.5 wt.%.
Спекание осуществляют при условиях давления в пределах по меньшей мере, от 5,7 ГПа, самое большее до 7,5 ГПа и температуре в пределах, по меньшей мере от 1400°C, и самое большее до 1900°C, с использованием устройства сверхвысокого давления типа «белт».Sintering is carried out under pressure conditions in the range of at least 5.7 GPa, at most up to 7.5 GPa and a temperature in the range of at least 1400 ° C, and at most up to 1900 ° C, using an ultra-high pressure device Type "Belt".
Полученные изделия по прототипу характеризуются высокой прочностью и высокой износостойкостью, изделие имеет поперечную прочность на разрыв не менее 2,65 ГПа, величину износа по задней поверхности 39-65 мкм. Изобретение может быть использовано при изготовлении режущего и обрабатывающего инструмента, электродов.The obtained products according to the prototype are characterized by high strength and high wear resistance, the product has a transverse tensile strength of at least 2.65 GPa, the amount of wear on the back surface of 39-65 microns. The invention can be used in the manufacture of cutting and processing tools, electrodes.
Прототип имеет ограничение по применению получаемых по данному способу композиционных материалов для изготовления инструментов для бурения, камнеобработки, поскольку зерна спеченного материала не превышают 2 мкм и не могут обеспечить высокую производительность при эксплуатации инструментов.The prototype has a limitation on the use of composite materials obtained by this method for the manufacture of tools for drilling, stone processing, since the grains of the sintered material do not exceed 2 μm and cannot provide high performance during the operation of tools.
Задачей предлагаемого технического решения является устранение указанных недостатков и получение углеродного материала с высокой микротвердостью, высокими упругими модулями и повышенной износостойкостью, что позволит использовать материал в горнодобывающей, камнеобрабатывающей и металлообрабатывающей промышленности.The objective of the proposed technical solution is to eliminate these drawbacks and obtain a carbon material with high microhardness, high elastic modules and increased wear resistance, which will allow the use of the material in the mining, stone processing and metal processing industries.
Поставленную задачу решают путем воздействия высокого давления и температуры на исходные углеродные и связующие компоненты в два этапа. На первом этапе берут углеродный компонент, в качестве которого используют, например, алмаз и связующий компонент, дополнительно в качестве углеродного компонента используют фуллерен и/или наноалмаз, а в качестве связующего компонента используют один или несколько компонентов, выбранных из ряда: кремнистая бронза, например, БрКМц3-1; монель, например, НМЖМц; твердые сплавы, например, ТТ7К.12. Из компонентов готовят смесь заданного состава, затем ее помещают в ампулу сохранения и воздействуют динамическим давлением 10-50 ГПа при температуре 900-2000°C с целью частичного или полного превращения фуллеренов в плотные сверхтвердые модификации углерода, активации химического взаимодействия между компонентами для получения компактного материала. В качестве фуллеренов берут фуллерен С-60 и/или С-70. Метод ударно-волнового воздействия позволяет обеспечить получение крупных заготовок композиционного материала. Поскольку процесс воздействия является кратковременным (доли микросекунды), то процесс консолидации компонентов в большинстве случаев остается незавершенным.The problem is solved by exposure to high pressure and temperature on the initial carbon and binder components in two stages. At the first stage, a carbon component is taken, for example, diamond and a binder component are used, in addition, fullerene and / or nanodiamonds are used as the carbon component, and one or more components selected from the series are used as the binder component: silicon bronze, for example , BrKMts3-1; Monel, for example, NMZHMts; hard alloys, for example, TT7K.12. A mixture of a given composition is prepared from the components, then it is placed in a storage ampoule and subjected to a dynamic pressure of 10-50 GPa at a temperature of 900-2000 ° C in order to partially or completely convert fullerenes into dense superhard carbon modifications, activate chemical interaction between the components to obtain a compact material . As fullerenes take fullerene C-60 and / or C-70. The method of shock-wave exposure allows to obtain large blanks of composite material. Since the exposure process is short-term (fractions of a microsecond), the process of component consolidation in most cases remains incomplete.
Завершение процесса формирования целевого продукта осуществляют в течение второго этапа. На образцы материала, полученного на первом этапе, воздействуют статическим давлением от 5 до 15 ГПа и нагревают до температуры 700-1700°C в течение не менее 20 секунд. На этом этапе осуществляется полный переход фуллеренов в плотные сверхтвердые модификации углерода, образуются химические связи между компонентами. Предварительно углеродные компоненты могут быть покрыты одним или несколькими связующими компонентами, выбранными из ряда: сплав кремнистой бронзы, сплав монель, твердый сплав. В результате получают композиционный материал с высокой микротвердостью, модулем упругости и соотношением микротвердость-модуль упругости 0.15-0,16, что указывает на высокую износостойкость композиционного материала.The completion of the process of formation of the target product is carried out during the second stage. The samples of the material obtained in the first stage are subjected to a static pressure of 5 to 15 GPa and heated to a temperature of 700-1700 ° C for at least 20 seconds. At this stage, a complete transition of fullerenes into dense superhard carbon modifications occurs, and chemical bonds between the components are formed. Pre-carbon components can be coated with one or more binder components selected from the range: silicon bronze alloy, monel alloy, hard alloy. The result is a composite material with high microhardness, modulus of elasticity and a ratio of microhardness-modulus of elasticity of 0.15-0.16, which indicates a high wear resistance of the composite material.
При воздействии на выбранные компоненты динамических давлений 10-50 ГПа и температур 900-2000°C параметры выбраны экспериментально. Выход за нижние пределы указанных диапазонов не приводит к значительному превращению фуллерена, выход за верхние пределы приводит разгерметизации ампул сохранения.When exposed to selected components of dynamic pressures of 10-50 GPa and temperatures of 900-2000 ° C, the parameters are selected experimentally. Going beyond the lower limits of these ranges does not lead to a significant conversion of fullerene, going beyond the upper limits leads to depressurization of the storage ampoules.
На втором этапе при воздействии на материал, полученный на первом этапе, статических давлений в диапазоне 5-15 и температур 700-1700°C параметры выбраны экспериментально. Выход за нижние границы диапазона не позволяет получать качественные образцы материала, выход за верхние границы диапазона не улучшает свойства материала, но снижает ресурс аппаратов. Выдержки на режиме в течение 20-180 секунд являются оптимальными для получения целевого продукта. Соотношение компонентов установлено эспериментально.In the second stage, when the material obtained in the first stage is exposed to static pressures in the range of 5-15 and temperatures of 700-1700 ° C, the parameters are chosen experimentally. Going beyond the lower limits of the range does not allow to obtain high-quality samples of the material; going beyond the upper limits of the range does not improve the properties of the material, but reduces the service life of the devices. Excerpts on the mode for 20-180 seconds are optimal for obtaining the target product. The ratio of the components was established experimentally.
Способ подтверждается следующими примерами.The method is confirmed by the following examples.
Пример 1. Приготовили смесь порошков массой 12 г, содержащую фуллерен С-60: 35% (мас.), алмаз зернистостью 100/80: 25%, порошок сплава монель (состав - Cu 27%, Fe 2.5%, Mn 1,8%, (Ni+Co) - остальное): 40%. Смесь запрессовывали в стальную ампулу сохранения, которая с торцов закрыли стальными пробками. На внешние стенки ампулы сохранения поместили 3-я слоя BB (пластид), подрыв произвели в специальном устройстве. Давление при ударно-волновом воздействии 35-40 ГПа, температура 1500-1700 С. Затем материал ампулы механически удалили и извлекли содержимое ампулы в виде компактного образца цилиндрической формы. По результатам измерения плотности и рентгенофазового и электронно-микроскопического анализов установили, что исходный углеродный компонент фуллерен С-60 превратился в сверхтвердую модификацию на 83%.Example 1. Prepared a mixture of powders weighing 12 g, containing C-60 fullerene: 35% (wt.), Diamond grain size 100/80: 25%, Monel alloy powder (composition - Cu 27%, Fe 2.5%, Mn 1.8 %, (Ni + Co) - the rest): 40%. The mixture was pressed into a steel storage ampoule, which was closed with steel plugs from the ends. The 3rd layer of BB (plastid) was placed on the external walls of the conservation ampoule; blasting was carried out in a special device. The pressure during the shock wave action was 35–40 GPa, the temperature was 1500–1700 ° C. Then the ampoule material was mechanically removed and the contents of the ampoule were extracted in the form of a compact cylindrical sample. According to the results of density measurements and X-ray phase and electron microscopy analyzes, it was found that the initial carbon component of C-60 fullerene turned into a superhard modification of 83%.
На втором этапе для повышения механических свойств композиционного материала образец полученного материала массой 0,5 г поместили в контейнер аппарата высокого давления типа «наковальни с лунками», создали давление 15 ГПа, нагрели до температуры 1450°C, выдержали в течение 90 секунд, охладили до 50 градусов, снизили давление до атмосферного и извлекли образец.At the second stage, in order to increase the mechanical properties of the composite material, a sample of the obtained material weighing 0.5 g was placed in the container of the anvil with holes type high-pressure apparatus, a pressure of 15 GPa was created, heated to a temperature of 1450 ° C, held for 90 seconds, cooled to 50 degrees, reduced the pressure to atmospheric and removed the sample.
Методом склерометрии с помощью прибора НаноСкан определили микротвердость углеродных компонентов образца - 90-130 ГПа, микротвердость границ связующего компонента - углеродного компонента 48-64 ГПа. Для определения модулей упругости измерили скорости продольных и сдвиговых звуковых волн эхо-импульсным методом с применением фокусирующей системы акустического микроскопа WFPAM, плотность образца определена гидростатическим методом. Установили, что модуль упругости равен 850±43 ГПа, отношение максимальных значений микротвердости к модулю упругости равно 0,15, что характерно для материалов со сверхупругой восстановительной способностью и высокой износостойкостью.The microhardness of the carbon components of the sample — 90–130 GPa, the microhardness of the boundaries of the binder component — the carbon component 48–64 GPa, was determined using sclerometry using the NanoScan device. To determine the elastic moduli, the velocities of longitudinal and shear sound waves were measured by the echo-pulse method using the focusing system of the WFPAM acoustic microscope, the density of the sample was determined by the hydrostatic method. It was found that the modulus of elasticity is 850 ± 43 GPa, the ratio of the maximum microhardness to the modulus of elasticity is 0.15, which is typical for materials with superelastic reduction ability and high wear resistance.
Пример 2. Приготовили смесь порошков массой 12 г, содержащую фуллерен С-70:30% (мас.), алмаз зернистостью 100/80:20%, порошок сплава ВК-20:50%. Смесь запрессовывали в стальную ампулу сохранения, которая с торцов закрыли стальными пробками. На внешние стенки ампулы сохранения поместили 3 слоя ВВ (пластид), подрыв произвели в специальном устройстве. Давление при ударно-волновом воздействии 40-45 ГПа, температура 1500-1700°С. Затем материал ампулы механически удалили и извлекли содержимое ампулы в виде компактного образца цилиндрической формы. По результатам измерения плотности и рентгенофазового и электронно-микроскопического анализов установили, что исходный фуллерен С-70 превратился в сверхтвердые модификацию на 70%.Example 2. Prepared a mixture of powders weighing 12 g, containing fullerene C-70: 30% (wt.), Diamond grain size 100/80: 20%, alloy powder VK-20: 50%. The mixture was pressed into a steel storage ampoule, which was closed with steel plugs from the ends. 3 layers of explosives (plastids) were placed on the external walls of the conservation ampoule; undermining was carried out in a special device. The pressure during the shock-wave action of 40-45 GPa, the temperature of 1500-1700 ° C. Then, the ampoule material was mechanically removed and the contents of the ampoule in the form of a compact sample of a cylindrical shape were extracted. According to the results of density measurements and X-ray phase and electron microscopy analyzes, it was found that the initial C-70 fullerene turned into a superhard modification of 70%.
На втором этапе для повышения механических свойств композиционного материала образец полученного материала массой 0,5 г поместили в контейнер аппарата высокого давления типа «наковальни с лунками», создали давление 13 ГПа, нагрели до температуры 1500°C, выдержали в течение 90 секунд, охладили до 50 градусов, снизили давление до атмосферного и извлекли образец.At the second stage, in order to increase the mechanical properties of the composite material, a sample of the obtained material weighing 0.5 g was placed in the container of the anvil with wells type high-pressure apparatus, a pressure of 13 GPa was created, heated to a temperature of 1500 ° C, held for 90 seconds, cooled to 50 degrees, reduced the pressure to atmospheric and removed the sample.
Методом склерометрии с помощью прибора НаноСкан определили микротвердость углеродных компонентов образца - 87-120 ГПа, микротвердость границ связующего компонента - углеродного компонента 47-62 ГПа. Для определения модулей упругости измерили скорости продольных и сдвиговых звуковых волн эхо-импульсным методом с применением фокусирующей системы акустического микроскопа WFPAM, плотность образца определили гидростатическим методом. Установили, что модуль упругости равен 780±39 ГПа, отношение максимальных значений микротвердости к модулю упругости равно 0,15.The microhardness of the carbon components of the sample — 87–120 GPa, and the microhardness of the boundaries of the binder component — the carbon component 47–62 GPa, were determined by sclerometry using the NanoScan device. To determine the elastic moduli, the velocities of longitudinal and shear sound waves were measured by the echo-pulse method using the focusing system of the WFPAM acoustic microscope, and the density of the sample was determined by the hydrostatic method. It was found that the elastic modulus is 780 ± 39 GPa, the ratio of the maximum values of microhardness to the elastic modulus is 0.15.
В таблице 1 приведены примеры №№3, 4, 5, в которых указаны параметры (P, T, τ) воздействия на первом этапе динамического, а на втором этапе статического давления на смеси выбранных компонентов, а также значения микротвердости, модуля упругости и соотношение микротвердость- модуль упругости для их максимальных значений. Последовательность технологических операций как в примерах №№1, 2.Table 1 shows examples Nos. 3, 4, 5, which indicate the parameters (P, T, τ) of the impact at the first stage of the dynamic and at the second stage of static pressure on the mixture of the selected components, as well as the values of microhardness, elastic modulus and the ratio microhardness is the elastic modulus for their maximum values. The sequence of technological operations as in examples No. 1, 2.
Выбор исходных компонентов, включая фуллерены С-60, С-70, а также связующие компоненты, проведение процесса в два этапа, позволяет получать сверхтвердый композиционный материал с высокой износостойкостью, пригодный для использования в горнодобывающей, камнеобрабатывающей и металлообрабатывающей промышленности.The choice of starting components, including С-60, С-70 fullerenes, as well as binding components, the process in two stages, allows to obtain an ultrahard composite material with high wear resistance, suitable for use in the mining, stone processing and metal processing industries.
30-3580-102
30-35
48-5775-97
48-57
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011146655/05A RU2491987C2 (en) | 2011-11-17 | 2011-11-17 | Method of producing superhard composite material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011146655/05A RU2491987C2 (en) | 2011-11-17 | 2011-11-17 | Method of producing superhard composite material |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011146655A RU2011146655A (en) | 2013-05-27 |
| RU2491987C2 true RU2491987C2 (en) | 2013-09-10 |
Family
ID=48789007
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011146655/05A RU2491987C2 (en) | 2011-11-17 | 2011-11-17 | Method of producing superhard composite material |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2491987C2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2556673C1 (en) * | 2014-04-29 | 2015-07-10 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) | Method of obtaining carbon-based composite material and composite material |
| RU2635488C1 (en) * | 2016-09-26 | 2017-11-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) | Method for producing composite metal matrix material reinforced with ultra-elastic superhard carbon particles |
| RU2653127C2 (en) * | 2016-11-01 | 2018-05-07 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) | Composite material based on carbon and the method of its production |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU707073A1 (en) * | 1975-03-12 | 1994-06-15 | Институт физики высоких давлений АН СССР | Method of obtaining diamond superhard compacts |
| RU2127225C1 (en) * | 1996-10-11 | 1999-03-10 | Бланк Владимир Давыдович | Superhard carbon material, method of its production and article made from superhard carbon material |
| RU2329947C1 (en) * | 2006-10-24 | 2008-07-27 | Институт физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина Российской академии наук (ИФВД РАН) | Method of production of ultrahard polycrystalline material |
| RU2347744C2 (en) * | 2005-07-26 | 2009-02-27 | Сумитомо Электрик Индастриз, Лтд. | Sintered diamond object with high strength and high wearing resistance and method of making it |
-
2011
- 2011-11-17 RU RU2011146655/05A patent/RU2491987C2/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU707073A1 (en) * | 1975-03-12 | 1994-06-15 | Институт физики высоких давлений АН СССР | Method of obtaining diamond superhard compacts |
| RU2127225C1 (en) * | 1996-10-11 | 1999-03-10 | Бланк Владимир Давыдович | Superhard carbon material, method of its production and article made from superhard carbon material |
| RU2347744C2 (en) * | 2005-07-26 | 2009-02-27 | Сумитомо Электрик Индастриз, Лтд. | Sintered diamond object with high strength and high wearing resistance and method of making it |
| RU2329947C1 (en) * | 2006-10-24 | 2008-07-27 | Институт физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина Российской академии наук (ИФВД РАН) | Method of production of ultrahard polycrystalline material |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2556673C1 (en) * | 2014-04-29 | 2015-07-10 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) | Method of obtaining carbon-based composite material and composite material |
| WO2015167358A1 (en) | 2014-04-29 | 2015-11-05 | Federal State Budgetary Institution "Technological Institute For Superhard And Novel Carbon Materials" | Method of obtaining a carbon-based composite material, and the composite material obtained thereby |
| RU2635488C1 (en) * | 2016-09-26 | 2017-11-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) | Method for producing composite metal matrix material reinforced with ultra-elastic superhard carbon particles |
| RU2653127C2 (en) * | 2016-11-01 | 2018-05-07 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) | Composite material based on carbon and the method of its production |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2011146655A (en) | 2013-05-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105074029B (en) | Cemented carbide material and its preparation method | |
| US9518308B2 (en) | High-density and high-strength WC-based cemented carbide | |
| JP2012506948A (en) | Functionally graded carbide tungsten carbide material made with hard surface | |
| JP2005514300A (en) | Low oxygen cubic boron nitride and its products | |
| JP3877677B2 (en) | Heat resistant diamond composite sintered body and its manufacturing method | |
| RU2636508C2 (en) | Methods of improving pcd sintering (polycrystalline diamond) using graphene | |
| KR20140089354A (en) | Hard metal composition | |
| RU2491987C2 (en) | Method of producing superhard composite material | |
| JP5045953B2 (en) | Method for synthesizing cubic boron nitride and method for producing sintered cubic boron nitride | |
| Khabashesku et al. | Impact of surface fluorination on phase stability of nanodiamond particles and inter-granular bonding in polycrystalline diamond under HPHT conditions | |
| Kunishige et al. | Shock compaction of diamond powder in reactive mixtures | |
| KR20180014083A (en) | Graphite group, carbon particles including the graphite group | |
| JP5087776B2 (en) | Method for producing a composite diamond body | |
| WO2015034399A2 (en) | Method of obtaining a high-hardness carbon material and material obtained by said method | |
| RU2131763C1 (en) | Method of manufacturing artificial diamonds | |
| JP6950942B2 (en) | Hard material containing rhenium nitride, its manufacturing method and cutting tools using it | |
| RU2062644C1 (en) | Method for production of superhard dense material | |
| JP5702021B1 (en) | A container for ultra-high pressure generation using cemented carbide that does not cause delayed fracture | |
| RU2523477C1 (en) | Method of obtaining super-hard composite material | |
| Sidorenko et al. | Modification of the Fe-Cu-Co-Sn-P metal matrix with various forms of carbon nanomaterials | |
| Vorozhtsov et al. | The physical-mechanical properties of aluminum nanocomposites produced by high energy explosion impact | |
| JP4223518B2 (en) | Cubic boron nitride abrasive and method for producing cubic boron nitride abrasive | |
| US5201923A (en) | Stoichiometric b1-type tantalum nitride and a sintered body thereof and method of synthesizing the b1-type tantalum nitride | |
| RU2386515C2 (en) | Charge for production of composite metal-diamond material | |
| Collins | Understanding the Growth and Formation of Synthetic Diamond |