[go: up one dir, main page]

RU2732258C1 - Способ получения композиционного материала - Google Patents

Способ получения композиционного материала Download PDF

Info

Publication number
RU2732258C1
RU2732258C1 RU2019143480A RU2019143480A RU2732258C1 RU 2732258 C1 RU2732258 C1 RU 2732258C1 RU 2019143480 A RU2019143480 A RU 2019143480A RU 2019143480 A RU2019143480 A RU 2019143480A RU 2732258 C1 RU2732258 C1 RU 2732258C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
diamond particles
workpiece
particles
diamond
silicon carbide
Prior art date
Application number
RU2019143480A
Other languages
English (en)
Inventor
Михаил Валентинович Ковальчук
Алексей Сергеевич Орыщенко
Владимир Ярославович Шевченко
Сергей Николаевич Петров
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" имени И.В. Горынина Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ЦНИИ КМ "Прометей")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" имени И.В. Горынина Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ЦНИИ КМ "Прометей") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" имени И.В. Горынина Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ЦНИИ КМ "Прометей")
Priority to RU2019143480A priority Critical patent/RU2732258C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2732258C1 publication Critical patent/RU2732258C1/ru

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24GRINDING; POLISHING
    • B24DTOOLS FOR GRINDING, BUFFING OR SHARPENING
    • B24D18/00Manufacture of grinding tools or other grinding devices, e.g. wheels, not otherwise provided for
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/52Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite
    • C04B35/521Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite obtained by impregnation of carbon products with a carbonisable material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C26/00Alloys containing diamond or cubic or wurtzitic boron nitride, fullerenes or carbon nanotubes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

Изобретение относится к получению композиционного материала на основе алмазных частиц. Способ включает формование заготовки из шихты, состоящей из алмазных частиц, пропитку заготовки расплавом кремния при температуре 1420-1500°С. В качестве алмазных частиц используют ограненные алмазные частицы двух фракций - малой с размером частиц 20-28 мкм и большой с размером 200-250 мкм. Шихта содержит не менее 60 об.% алмазных частиц размером более 200 мкм, а соотношение в шихте размеров частиц малой и большой фракций составляет 1:6-1:10. После формования проводят термообработку заготовки в среде инертного газа или в вакууме при температуре 700-800°С. Пропитку заготовки расплавом кремния ведут в среде вакуума или инертного газа с обеспечением образования кубического карбида кремния и диффузионно-реакционного процесса Тьюринга на границе раздела алмаз - кубический карбид кремния. Полученный материал может быть использован в конструкциях различного назначения, где необходимо сочетание или преобладание одного или нескольких из перечисленных свойств: высокого модуля упругости, малой плотности, высокой твердости и других физико-механических свойств. При пропитке заготовок из алмазных частиц двух фракций жидким кремнием обеспечивается реакционный рост зерен кристаллического карбида кремния, который с частицами алмаза образует структуру, соответствующую трижды периодическим поверхностям минимальной энергии. Обеспечивается получение материала, обладающего следующим комплексом физико-механических свойств: плотность р=3,32-3,40 г/см, модуль упругости Е=746-760 ГПа, твердость по Виккерсу HV=65-70 ГПа. 3 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 пр., 4 ил.

Description

Изобретение относится к способу получения композиционных материалов на основе алмазных частиц и может найти применение в различных отраслях промышленности, в том числе в станкостроении, машиностроении, двигателестроении при изготовлении конструкций различного назначения, узлов трения, сопел пескоструйных аппаратов, деталей двигателей и др.
Выбор алмаза для создания композита со свойствами, позволяющими использовать его в условиях экстремальных нагрузок, обеспечен тем, что алмаз проявляет наивысший уровень механических свойств. Однако получить габаритные материалы из алмаза, по экономическим показателям, невозможно. Также технологическим недостатком алмаза является его фазовый переход в графит, протекающий при температуре около 800°С и затрудняющий спекание чистых алмазных частиц.
Алмазосодержащие поликристаллические материалы, в которых алмазные частицы связанны неметаллической тугоплавкой матрицей, получают, как правило, спеканием исходных алмазных частиц размером от 1 до 60 мкм в присутствии небольших добавок металлов, чаще кремния.
Известен патент (RU №2347744, опубл. 27.02.2009), в котором представлен износостойкий материал, содержащий алмаз, 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 энергоемким и экономически менее выгодным.
Известны патенты (RU №2151126, опубл. 20.06.2000, RU №2206502, опубл. 27.10.2002 и RU №2270821, опубл. 27.02.2006), где в качестве основы используется матрица из частиц алмаза и карбида кремния, пропитываемая жидким кремнием. Материалы обладают высокой износостойкостью, однако введение карбида кремния в исходную шихтовую смесь резко снижает модуль упругости, твердость и ряд других свойств полученного композита.
Наиболее близким патентом (патент-прототип) к заявленному являются (RU №2036779, опубл. 09.06.1995), где в качестве матрицы используются алмазные частицы марки АСМ 3/2. Несмотря на высокие свойства данных материалов они имеют ряд недостатков, в частности, применение в композитах алмазных частиц одной фракции приводит к низкой плотности заготовок, что, несомненно, уменьшает уровень механических свойств готовых изделий. Использование алмазных частиц малых размеров приводит к их частичному сгоранию (до 50% от исходного количества алмазных частиц), что также негативно сказывается на уровне механических свойств спеченных материалов.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание способа получения композиционного материала, на основе алмазных частиц, имеющего структуру, состоящую из трижды периодических поверхностей минимальной энергии, обладающего комплексом физико-механические свойств: плотность р=3,32-3,40 г/см3; модуль упругости Еупр=746-760 ГПа; твердость по Виккерсу HV=65-70 ГПа.
Технический результат достигается за счет того, что при реализации способа получения композиционных материалов выбирают такие условия процесса, которые способствуют синтезу карбида кремния в результате диффузионно-реакционного процесса Тьюринга и образованию трижды периодических поверхностей минимальной энергии.
Способ получения композиционных материалов реализуют в несколько стадий следующим образом.
1. Формование заготовок
Первой стадией способа является получение заготовок, содержащих алмазные частицы. В качестве исходной шихты для формования заготовок используют смеси алмазных частиц двух фракций размером 20-28 мкм и 200-250 мкм, что приводит, с одной стороны, к достижению большей компактности формовки и повышению механических свойств, а с другой - наличие в материалах крупных и мелких алмазов, обеспечивает сочетание высоких абразивных свойств с высокой стойкостью к износу.
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.
Важным является то, что для получения композиционных материалов, используются ограненные алмазные частицы, это является необходимым условием осуществления диффузионно-реакционного процесса Тьюринга, приводящего к формированию прочного каркаса с высоким содержанием алмаза («скелетона»). Слово «скелетон» обычно используется в технологии материалов на основе карбида кремния.
При формовании целесообразно использовать временное связующее, что упрощает процесс формовки. В качестве временного связующего использовали спиртовой раствор фенолформальдегидной смолы, однако можно использовать и другие временные связующие добавки. Количество вводимого в заготовку связующего (сухой смолы), не превышает 5% от массы алмазных частиц. Использование смолы делает формованную заготовку более прочной и упрощает дальнейшую работу с ней.
Для прессования заготовок применяют методы формования в пресс-формах (метод полусухого формования), однако для получения плотных заготовок можно использовать другие методы: гидростатического и инжекционного формования, шликерного литья, а также методы струйной и лазерной печати.
При формовании заготовок необходимо обеспечить равномерное распределение алмазных частиц по объему пресс-формы, поэтому перед формованием порошки гранулировали, протиркой через сита.
После формования заготовки сушат при температурах 120-150°С для удаления влаги и избыточного количества связующего. Эта стадия является завершающей при получении заготовок.
Описанные методы формования обеспечивают получение заготовок с относительно высокой пористостью (от 35 до 45 об. %), при этом большинство пор являются открытыми.
2. Высокотемпературная термообработка заготовок
Термообработка осуществляется в среде инертного газа или в вакууме при температурах 700-800°С. При более высокой температуре термообработки повышается вероятность протекания частичной графитизации алмазов. Процесс начинается на поверхности алмазных частиц и постепенно проникает в глубину, что приводит к образованию и росту слоя графита на поверхности алмазных частиц. В ряде случаев процесс высокотемпературной термообработки заготовок можно не проводить.
3. Пропитка заготовок расплавом кремния
Для пропитки заготовок используют расплав кремния. Пропитку осуществляют в среде вакуума или инертного газа расплавлением кремния, непосредственно на поверхности заготовок, окунанием их в расплав или наливом расплава кремния на поверхность пористых заготовок.
Пропитку осуществляют при температурах, превышающих температуру плавления кремния - 1420-1500°С. Расплавленный кремний проникает в объем компактированного композита (заготовки) и реагирует с аморфным углеродом и графитом, образуя кубический карбид кремния (Фиг. 1). Процесс сопровождается мгновенным повышением температуры и продолжается до полного израсходования компонентов. В течение короткого времени расходуется весь аморфный углерод, графит и кремний, а реакционная масса может разогреваться до температуры 2700°С. В результате на границе раздела алмаз - кубический карбид кремния создаются условия для диффузионно-реакционного процесса Тьюринга (Фиг. 2).
В результате пропитки заготовок из алмазных частиц жидким кремнием, получают практически беспористый материал, состоящий из алмаза - 88-92 об. и кристаллического карбида кремния - 8-12 об. %.
Следует обратить внимание, что при реализации описанного способа не происходит заметного изменения формы, т.е. конечные изделия имеют практически такие же размеры и форму, как исходные заготовки. При необходимости получения изделий более сложной формы может быть осуществлена дополнительная механическая обработка заготовок. Более удобно проводить такую обработку заготовок после стадии высокотемпературной термообработки до пропитки кремнием. Такие заготовки обладают большей прочностью и могут быть обработаны, например, точением, сверлением, фрезерованием и др.
В отличие от патента-прототипа разработанный способ, позволяет получать композиционные материалы, обладающие наибольшим уровнем механических свойств, что является основным показателем для износостойких, термостойких, броневых и других материалов.
Пример 1. Из алмазных частиц марки АСМ 28/20 (ГОСТ 9206-80) и марки АСМ 250/200 (ГОСТ 9206-80) в соотношении 20/80 (состав 1, таблица 1) готовили шихтовую смесь. Для этого к алмазным частицам добавляли связующее - 25% спиртовой раствор фенолформальдегидной смолы марки СФ-010-А (ГОСТ 18094-80) в количестве 4 мас. % сухой смолы от массы алмазных частиц. Шихту тщательно перемешивали и перетирали через сита.
Формование образцов размером 50×50×8 мм осуществляли прессованием шихты в металлической пресс-форме при комнатной температуре при давлении 100-150 МПа. Отформованные заготовки выдерживали на воздухе при комнатной температуре в течение 5-10 часов с последующей сушкой при температуре 150°С до влажности заготовок 3-5%. Полученные таким образом заготовки имеют пористость 35-45 об. %.
Пропитку заготовок осуществляли расплавом кремния при температуре 1420-1500°С в течение 10 мин в вакууме. В результате получали изделия в виде плиток размером 50×50×8 мм, в которых частицы алмаза связаны зернами кристаллического карбида кремния, образуя структуру из трижды периодических поверхностей минимальной энергии (Фиг. 3, Фиг. 4).
Пример 2. Для получения образцов композиционных материалов использовали алмазные частицы марки АСМ 28/20 (ГОСТ 9206-80) и марки АСМ 250/200 (ГОСТ 9206-80) в соотношении 20/80 (состав 2, таблица 1). Технология получения образцов аналогична примеру 1, однако перед пропиткой жидким кремнием образцы дополнительно термообрабатывали в вакууме (давление - 0,1 мм рт. ст.) при 800°С в течение 10 мин. Указанные условия термообработки позволяют избежать графитизации алмазных частиц.
Пример 3. Для получения образцов композиционных материалов использовали алмазные частицы марки АСМ 28/20 (ГОСТ 9206-80) и марки АСМ 250/200 (ГОСТ 9206-80) в соотношении 10/90 (состав 3, таблица 1). Технология получения образцов аналогична примеру 1, однако количество связующего (фенолформальдегидной смолы) - 5 мас. % сухой смолы от массы алмазных частиц.
Физико-механические свойства композиционных материалов приведены в таблице 2.
Figure 00000001
Figure 00000002
Таким образом, реализация заявляемого способа позволяет получать композиционные материалы, при необходимости в виде деталей сложных форм и больших размеров. При этом получаемые материалы обладают наибольшим уровнем механических свойств за счет увеличения количества исходных алмазных частиц (до 92 об. %), введения большого количества крупных алмазных частиц (размером более 200 мкм) - не менее 60 об. %, использования шихтовых смесей, включающих алмазные частицы двух разных по размеру фракций и реализации процесса в соответствии с реакцией Тьюринга, что приводит к формированию материала, со структурой, состоящей из трижды периодических поверхностей минимальной энергии.
Технико-экономический эффект от заявленного изобретения заключается в создании более экономичной технологии, по сравнению с технологией, описанной в патенте-прототипе.

Claims (4)

1. Способ получения композиционного материала на основе алмазных частиц, включающий формование заготовки из шихты, состоящей из алмазных частиц, пропитку заготовки расплавом кремния при температуре 1420-1500°С, отличающийся тем, что в качестве алмазных частиц используют ограненные алмазные частицы двух фракций - малой с размером частиц 20-28 мкм и большой с размером 200-250 мкм, причем шихта содержит не менее 60 об.% алмазных частиц размером более 200 мкм, а соотношение в шихте размеров частиц малой и большой фракций составляет 1:6-1:10, при этом после формования проводят термообработку заготовки в среде инертного газа или в вакууме при температуре 700-800°С, пропитку заготовки расплавом кремния ведут в среде вакуума или инертного газа с обеспечением образования кубического карбида кремния и диффузионно-реакционного процесса Тьюринга на границе раздела алмаз - кубический карбид кремния.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формование заготовок включает подготовку шихты путем добавления к алмазным частицам связующего в виде 25% спиртового раствора фенолформальдегидной смолы в количестве 4-5 мас.% сухой смолы от массы алмазных частиц, перемешивания и перетирания через сита.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формование ведут с расчетом упаковки частиц, обеспечивающей достижение максимальной плотности по модели гранецентрированной кубической упаковки при коэффициенте заполнения пространства до 79,4%.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пропитку ведут с получением беспористого материала, состоящего из алмазных частиц - 88-92 об.% и кристаллического карбида кремния - 8-12 об.%.
RU2019143480A 2019-12-19 2019-12-19 Способ получения композиционного материала RU2732258C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019143480A RU2732258C1 (ru) 2019-12-19 2019-12-19 Способ получения композиционного материала

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019143480A RU2732258C1 (ru) 2019-12-19 2019-12-19 Способ получения композиционного материала

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2732258C1 true RU2732258C1 (ru) 2020-09-14

Family

ID=72516560

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019143480A RU2732258C1 (ru) 2019-12-19 2019-12-19 Способ получения композиционного материала

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2732258C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117142861A (zh) * 2023-08-31 2023-12-01 北方民族大学 一种3d打印用碳化硅-金刚石复合粉体及其制备方法和应用
CN118145999A (zh) * 2023-12-28 2024-06-07 中国人民解放军国防科技大学 一种超导热金刚石陶瓷基复合材料及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2036779C1 (ru) * 1992-12-08 1995-06-09 Акционерное общество закрытого типа "Карбид" Способ получения алмазосодержащего материала
RU2223220C2 (ru) * 2000-11-01 2004-02-10 Тадеуш Брониславович Сенють Способ получения алмазных частиц, способ получения алмазных кристаллов и способ получения содержащих алмазные частицы заготовок
CN108821775A (zh) * 2018-07-06 2018-11-16 西安航空学院 一种金刚石/碳化硅预制件及金刚石/碳化硅/铝复合材料的制备方法
JP2019189500A (ja) * 2018-04-26 2019-10-31 トーメイダイヤ株式会社 硬さの向上したダイヤモンド/炭化ケイ素複合体の製造方法及びかかる複合体

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2036779C1 (ru) * 1992-12-08 1995-06-09 Акционерное общество закрытого типа "Карбид" Способ получения алмазосодержащего материала
RU2223220C2 (ru) * 2000-11-01 2004-02-10 Тадеуш Брониславович Сенють Способ получения алмазных частиц, способ получения алмазных кристаллов и способ получения содержащих алмазные частицы заготовок
JP2019189500A (ja) * 2018-04-26 2019-10-31 トーメイダイヤ株式会社 硬さの向上したダイヤモンド/炭化ケイ素複合体の製造方法及びかかる複合体
CN108821775A (zh) * 2018-07-06 2018-11-16 西安航空学院 一种金刚石/碳化硅预制件及金刚石/碳化硅/铝复合材料的制备方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117142861A (zh) * 2023-08-31 2023-12-01 北方民族大学 一种3d打印用碳化硅-金刚石复合粉体及其制备方法和应用
CN118145999A (zh) * 2023-12-28 2024-06-07 中国人民解放军国防科技大学 一种超导热金刚石陶瓷基复合材料及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4225684B2 (ja) ダイヤモンド−炭化ケイ素−ケイ素複合材料の製造法
Kumar et al. Processing of polysiloxane-derived porous ceramics: a review
KR100348772B1 (ko) 위스커강화 알루미나복합체의 상압소결방법
US3725015A (en) Process for forming high density refractory shapes and the products resulting therefrom
JP3483035B2 (ja) 炭化珪素強化炭化珪素複合材料
US8142845B2 (en) Process for the manufacturing of dense silicon carbide
EA003715B1 (ru) Способ получения алмазного композита и алмазный композит, полученный этим способом
JPS6141871B2 (ru)
JPS6141867B2 (ru)
US4019913A (en) Process for fabricating silicon carbide articles
JPH05105521A (ja) 炭素繊維強化窒化珪素質ナノ複合材及びその製造方法
EP0012966B1 (en) Integral composite of polycristalline diamond and/or cubic boron nitride body phase and substrate phase and process for making it
EP1019338B1 (en) A method for producing abrasive grains and the abrasive grains produced by this method
US5427853A (en) Reinforcement preform, method of making same and reinforced composite made therefrom
RU2732258C1 (ru) Способ получения композиционного материала
JP4278029B2 (ja) セラミック軸受部品の製造方法
JP2012516241A (ja) 充填剤として植物の種子鞘を有する砥石および該砥石の製造法
Hassan et al. Preparation and characterisation of SiOC ceramics made from a preceramic polymer and rice bran
RU2573146C1 (ru) КОМПОЗИЦИЯ УГЛЕРОДНОЙ ЗАГОТОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ SiC/C/Si КЕРАМИКИ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ SiC/C/Si ИЗДЕЛИЙ
RU2739774C1 (ru) Способ получения конструкционного керамического материала на основе карбида кремния для изделий сложной геометрии
RU2147982C1 (ru) Способ получения алмазосодержащего материала
US5714242A (en) Ceramic material and method for manufacturing ceramic product utilizing it
CN111792944B (zh) 以发泡硅胶和无机粉体复合物为前驱体制备泡沫陶瓷材料的方法
JP4714453B2 (ja) ダイヤモンドまたはcBN工具及びその製造方法
JP2012144389A (ja) SiC/Si複合材料