RU2843783C1

RU2843783C1 - Method of producing nanostructured diamond-metal composites

Info

Publication number: RU2843783C1
Application number: RU2025111650A
Authority: RU
Inventors: Евгений Георгиевич Соколов; Александр Витальевич Озолин; Андрей Викторович Магда
Filing date: 2025-05-05
Publication date: 2025-07-18

Abstract

FIELD: powder metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to powder metallurgy, particularly, to production of nanostructured diamond-metal composites. It can be used for fabrication of diamond abrasive tools. Powder material containing tin bronze powder and chromium powder is mixed with graphite powder in the following ratio, wt. %: tin bronze powder 70-90, chromium powder 9-27 and graphite powder 1-3. After mixing, powders are mechanically activated in planetary ball mill at centrifugal acceleration of 15-20 g for 90-300 minutes. Diamonds are additionally added to activated powder material in amount of 6.25-37.5 % by volume of composite. Blanks are moulded from powder material and subjected to liquid-phase sintering for 30-60 minutes.

EFFECT: increased wear resistance due to the formation of carbide nanoparticles uniformly distributed in the matrix.

1 cl, 2 tbl

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для изготовления алмазных абразивных инструментов с металлическими связками.The invention relates to powder metallurgy and can be used for the production of diamond abrasive tools with metal bonds.

Из уровня техники известен способ получения наноструктурных алмазно-металлических композитов по патентам RU 2286241 C1, RU 2286242 C1, RU 2286243 C1, включающий введение в состав связки композита легирующей добавки в виде нанопорошка в количестве 1-15 мас. %. В качестве легирующей добавки используют нанопорошки карбида вольфрама, или вольфрама, или оксида алюминия, или диоксида циркония, или карбида ниобия, или ультрадисперсные алмазы, покрытые серебром или никелем. Наличие равномерно распределенных наночастиц в структуре алмазно-металлического композита способствует его дисперсионному упрочнению, повышению твердости и износостойкости без существенного снижения пластичности. Реализация данного способа связана с рядом трудностей. В связи с высокой химической активностью нанопорошков необходимы особые меры по их защите от окисления при хранении, подготовке порошковой шихты, при формовании изделий. Склонность нанопорошков к агрегированию значительно усложняет подготовку порошковой шихты и затрудняет получение равномерного распределения наночастиц в композиционных материалах.The prior art discloses a method for producing nanostructured diamond-metal composites according to patents RU 2286241 C1, RU 2286242 C1, RU 2286243 C1, which includes introducing an alloying additive in the form of a nanopowder in an amount of 1-15 wt. % into the composite binder. Nanopowders of tungsten carbide, or tungsten, or aluminum oxide, or zirconium dioxide, or niobium carbide, or ultrafine diamonds coated with silver or nickel are used as alloying additives. The presence of uniformly distributed nanoparticles in the structure of the diamond-metal composite promotes its dispersion strengthening, increased hardness and wear resistance without a significant decrease in ductility. The implementation of this method is associated with a number of difficulties. Due to the high chemical activity of nanopowders, special measures are required to protect them from oxidation during storage, preparation of the powder charge, and molding of products. The tendency of nanopowders to aggregate significantly complicates the preparation of powder mixtures and makes it difficult to obtain a uniform distribution of nanoparticles in composite materials.

Известен способ получения наноструктурного композиционного материала на основе cBN по патенту RU 2576745 C1, включающий стадии смешивания исходных порошков кубического нитрида бора, оксида алюминия, нитрида кремния и спекания полученной смеси в условиях высоких давлений и высоких температур. Для получения микроструктуры, включающей наноразмерную фазу из нитрида алюминия, процесс спекания осуществляют в присутствии алюминия в газовой фазе. При этом наноразмерные частицы нитрида алюминия образуются в микроструктуре in situ, упрочняя матрицу и граничные слои между матрицей и зернами кубического нитрида бора. Недостатками данного способа являются: необходимость обеспечения высоких давлений и высоких температур, сложное и дорогостоящее оборудование и оснастка, применимость способа только для получения композитов с керамической матрицей.A method for producing a nanostructured composite material based on cBN is known according to patent RU 2576745 C1, including the stages of mixing the initial powders of cubic boron nitride, aluminum oxide, silicon nitride and sintering the resulting mixture under high pressures and high temperatures. To obtain a microstructure including a nanosized phase of aluminum nitride, the sintering process is carried out in the presence of aluminum in the gas phase. In this case, nanosized particles of aluminum nitride are formed in the microstructure in situ, strengthening the matrix and the boundary layers between the matrix and the grains of cubic boron nitride. The disadvantages of this method are: the need to ensure high pressures and high temperatures, complex and expensive equipment and tooling, the applicability of the method only for obtaining composites with a ceramic matrix.

Прототипом изобретения является способ получения наноструктурного алмазно-металлического композита, включающий введение в порошковый материал Cu-Sn-Ti связующего вещества на основе нитроцеллюлозы [Leinenbach С., Transchel R., Gorgievski K., Kuster F. et al. Micro structure and mechanical performance of Cu-Sn-Ti-based active braze alloy containing in situ formed nano-sized TiC particles // Journal of Materials Engineering and Performance. 2015. Vol. 24. P. 2042-2050]. Указанный порошковый материал с добавкой связующего вещества применяют в качестве припоя для пайки алмазных зерен к стальной основе. В процессе пайки из припоя формируется матрица алмазно-металлического композита, при этом в результате реакции титана с углеродом нитроцеллюлозы in situ образуются наночастицы TiC.The prototype of the invention is a method for producing a nanostructured diamond-metal composite, which includes introducing a nitrocellulose-based binder into a Cu-Sn-Ti powder material [Leinenbach C., Transchel R., Gorgievski K., Kuster F. et al. Micro structure and mechanical performance of Cu-Sn-Ti-based active braze alloy containing in situ formed nano-sized TiC particles // Journal of Materials Engineering and Performance. 2015. Vol. 24. P. 2042-2050]. The said powder material with the addition of a binder is used as a solder for soldering diamond grains to a steel base. During the soldering process, a matrix of the diamond-metal composite is formed from the solder, and TiC nanoparticles are formed in situ as a result of the reaction of titanium with the carbon of nitrocellulose.

Недостатком известного способа является неравномерное распределение наночастиц в объеме материала, которое не позволяет реализовать дисперсионное упрочнение в полной мере. В связи с этим получаемый алмазосодержащий композит имеет нестабильные механические свойства (зависящие от случайного распределения наночастиц), в структуре металлической матрицы композита присутствуют участки с пониженной твердостью, что приводит к снижению его износостойкости.The disadvantage of the known method is the uneven distribution of nanoparticles in the volume of the material, which does not allow the dispersion hardening to be realized in full. In this regard, the resulting diamond-containing composite has unstable mechanical properties (depending on the random distribution of nanoparticles), in the structure of the metal matrix of the composite there are areas with reduced hardness, which leads to a decrease in its wear resistance.

Задачей изобретения является усовершенствование способа получения наноструктурных алмазно-металлических композитов.The objective of the invention is to improve the method for producing nanostructured diamond-metal composites.

Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости наноструктурных алмазно-металлических композитов за счет формирования in situ при спекании наночастиц карбидов, равномерно распределенных в матрице композита.The technical result of the invention is an increase in the wear resistance of nanostructured diamond-metal composites due to the in situ formation during sintering of carbide nanoparticles uniformly distributed in the composite matrix.

Технический результат достигается тем, что способ получения наноструктурных алмазно-металлических композитов включает введение в порошковый материал углеродсодержащей добавки и формирование карбидных наночастиц in situ при спекании, при этом порошковый материал содержит порошок оловянной бронзы, порошок хрома, а в качестве углеродсодержащей добавки - порошок графита, взятые в следующем соотношении, мас. %:The technical result is achieved in that the method for producing nanostructured diamond-metal composites includes introducing a carbon-containing additive into the powder material and forming carbide nanoparticles in situ during sintering, wherein the powder material contains tin bronze powder, chromium powder, and graphite powder as a carbon-containing additive, taken in the following ratio, wt. %:

порошок оловянной бронзыtin bronze powder 70-9070-90 порошок хромаchromium powder 9-279-27 порошок графитаgraphite powder 1-3,1-3,

после смешивания порошков осуществляют их механическую активацию в планетарной шаровой мельнице при центробежном ускорении 15-20 g в течение 90-300 минут. Следует отметить, что после механической активации порошковый материал представляет собой композиционной композиционный порошок со сложной структурой частиц. Последние состоят из бронзовой «матрицы», дисперсных включений хрома и равномерно распределенных наночастиц графита.After mixing the powders, they are mechanically activated in a planetary ball mill at a centrifugal acceleration of 15-20 g for 90-300 minutes. It should be noted that after mechanical activation, the powder material is a composite powder with a complex particle structure. The latter consist of a bronze "matrix", dispersed chromium inclusions and uniformly distributed graphite nanoparticles.

В механически активированный порошковый материал дополнительно вводят алмазы в количестве 6,25-37,5% по объему композита. Их количество зависит от требуемой концентрации алмазов в готовом алмазном инструменте. Указанное содержание алмазов соответствует условной концентрации 25-150% [Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента / В.Н. Бакуль, Ю.И. Никитин, Е.Б. Верник и др.; Под ред. В.Н. Бакуля. - М.: Машиностроение, 1975].Diamonds are additionally introduced into the mechanically activated powder material in an amount of 6.25-37.5% by volume of the composite. Their quantity depends on the required concentration of diamonds in the finished diamond tool. The specified diamond content corresponds to a conditional concentration of 25-150% [Fundamentals of Design and Manufacturing Technology of Abrasive and Diamond Tools / V.N. Bakul, Yu.I. Nikitin, E.B. Vernik et al.; Ed. by V.N. Bakul. - M.: Mashinostroenie, 1975].

Затем формуют из порошкового материала заготовки и подвергают их жидкофазному спеканию в течение 30-60 мин. Температуру жидкофазного спекания выбирают из интервала температур солидус-ликвидус оловянной бронзы. Конкретные значения этих температур зависят от химического состава бронзы.Then, blanks are formed from the powder material and subjected to liquid-phase sintering for 30-60 minutes. The liquid-phase sintering temperature is selected from the solidus-liquidus temperature range of tin bronze. The specific values of these temperatures depend on the chemical composition of the bronze.

При спекании в указанном интервале температур в материале образуется медно-оловянная жидкая фаза, происходит растворение в ней дисперсных включений хрома и осаждение хрома на наночастицах графита (полученных на стадии механической активации порошкового материала). Химическое взаимодействие хрома с графитом приводит к образованию in situ наночастиц карбида хрома.During sintering in the specified temperature range, a copper-tin liquid phase is formed in the material, dispersed chromium inclusions dissolve in it, and chromium is deposited on graphite nanoparticles (obtained at the stage of mechanical activation of the powder material). Chemical interaction of chromium with graphite leads to the formation of chromium carbide nanoparticles in situ.

В результате формируется композиционный материал, состоящий из металлической матрицы и зерен алмаза, при этом в матрице равномерно распределены наночастицы карбида хрома, обеспечивающие дисперсионное упрочнение. В отличие от прототипа, полученный материал обладает стабильными механическими свойствами, в его металлической матрице отсутствуют участки с пониженной твердостью. Благодаря этому алмазно-металлический композит обладает повышенной износостойкостью по сравнению с прототипом.As a result, a composite material is formed consisting of a metal matrix and diamond grains, with chromium carbide nanoparticles uniformly distributed in the matrix, providing dispersion strengthening. Unlike the prototype, the resulting material has stable mechanical properties, and its metal matrix does not contain areas with reduced hardness. Due to this, the diamond-metal composite has increased wear resistance compared to the prototype.

Для образования достаточного количества наночастиц карбида хрома и упрочнения композита необходимо вводить в порошковый материал не менее 1 мас. % углеродсодержащей добавки (графита). При введении свыше 3 мас. % графита образуется избыточное количество наночастиц карбида хрома, что приводит к охрупчиванию спеченного композита. Таким образом, оптимальным количеством углеродсодержащей добавки является 1-3 мас. % графита. При этом для образования устойчивых карбидов хрома Cr₇C₃ и Cr₃C₂ необходимо, чтобы массовые доли графита и хрома находились в соотношении 1:9 [Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник: В 3 т.: Т. 1 / Под общ. ред. Н.П. Лякишева. - М.: Машиностроение, 1996].To form a sufficient amount of chromium carbide nanoparticles and strengthen the composite, it is necessary to introduce at least 1 wt. % of a carbon-containing additive (graphite) into the powder material. When introducing more than 3 wt. % of graphite, an excessive amount of chromium carbide nanoparticles is formed, which leads to embrittlement of the sintered composite. Thus, the optimal amount of a carbon-containing additive is 1-3 wt. % of graphite. At the same time, to form stable chromium carbides Cr ₇ C ₃ and Cr ₃ C _2, it is necessary that the mass fractions of graphite and chromium be in a ratio of 1:9 [Physical State Diagrams of Binary Metallic Systems: Handbook: In 3 volumes: Vol. 1 / Under the general editorship of N.P. Lyakishev. - M .: Mashinostroenie, 1996].

Ниже приведены примеры осуществления изобретения.Below are examples of the invention's implementation.

Изготавливают опытные образцы алмазных коронок диаметром 32 мм с режущей частью из композитов, упрочненных наночастицами. В смесь металлических порошков вводят углеродсодержащую добавку в виде порошка графита при соотношении компонентов, указанном в таблице 1. При этом используют порошки следующих марок: хромовый ПХО-1М, бронзовый БрО10, графитовый ОСЧ 7-4.Experimental samples of diamond crowns with a diameter of 32 mm with a cutting part made of composites reinforced with nanoparticles are manufactured. A carbon-containing additive in the form of graphite powder is introduced into the mixture of metal powders at the ratio of components specified in Table 1. The following grades of powders are used: chromium PKhO-1M, bronze BrO10, graphite OSCh 7-4.

Порошковые материалы подвергают механической активации в планетарной шаровой мельнице АГО-2У при центробежном ускорении 15-20 g в течение 90-300 мин. Затем в порошковые материалы вводят алмазы марки АС 125 зернистостью 400/315 мкм (ГОСТ 9206-80). Режущую часть коронок формуют статическим прессованием и спекают в течение 30-60 мин при температурах 910-960°С. Указанные температуры выбраны из интервала температур солидус-ликвидус бронзы БрО10 [Орлов Н.Д., Чурсин В.М. Справочник литейщика. Фасонное литье из сплавов тяжелых цветных металлов. М.: Машиностроение, 1971].The powder materials are subjected to mechanical activation in an AGO-2U planetary ball mill at a centrifugal acceleration of 15-20 g for 90-300 min. Then, diamonds of the AC 125 grade with a grain size of 400/315 μm (GOST 9206-80) are introduced into the powder materials. The cutting part of the crowns is formed by static pressing and sintered for 30-60 min at temperatures of 910-960°C. The specified temperatures are selected from the solidus-liquidus temperature range of bronze BrO10 [Orlov N.D., Chursin V.M. Foundryman's Handbook. Shaped casting from heavy non-ferrous metal alloys. Moscow: Mashinostroenie, 1971].

Структуру спеченных композитов исследуют методами растровой и просвечивающей электронной микроскопии. Твердость металлической матрицы композитов определяют по Виккерсу.The structure of sintered composites is studied using scanning and transmission electron microscopy. The hardness of the metal matrix of the composites is determined according to Vickers.

Металлографическими исследованиями установлено, что в структуре спеченных композитов равномерно распределены наночастицы карбида хрома. В связи с этим в металлической матрице композитов отсутствуют участки с пониженной твердостью.Metallographic studies have established that chromium carbide nanoparticles are uniformly distributed in the structure of sintered composites. In this regard, there are no areas with reduced hardness in the metal matrix of the composites.

Способ получения алмазно-металлического композита согласно примеру 1 является наименее затратным по технологическому времени и энергетическим ресурсам. Такой композит предназначен для обработки природного камня с невысокими абразивными свойствами.The method for producing a diamond-metal composite according to example 1 is the least costly in terms of technological time and energy resources. Such a composite is intended for processing natural stone with low abrasive properties.

Состав и режим изготовления композита по примеру 2 позволяет получить промежуточный по стоимости и характеристикам материал среди представленных примеров. Композит предназначен для обработки твердых материалов со средними абразивными свойствами.The composition and mode of manufacturing the composite according to example 2 allows obtaining an intermediate material in cost and characteristics among the presented examples. The composite is intended for processing hard materials with medium abrasive properties.

Алмазно-металлический композит в примере 3 предназначен для обработки «искусственного гранита» и природного гранита с повышенным содержанием кварца.The diamond-metal composite in example 3 is intended for processing “artificial granite” and natural granite with a high quartz content.

Режущую часть, изготовленную из указанных композитов, соединяют со стальным корпусом коронки. Проводят сравнительные испытания алмазных коронок при сверлении отверстий в гранитных плитах. Износостойкость оценивают путем измерения величины износа режущей части коронки при сверлении отверстий, суммарная глубина которых составляла 1 м. Результаты испытаний представлены в таблице 2.The cutting part made of the above composites is connected to the steel body of the crown. Comparative tests of diamond crowns are conducted when drilling holes in granite slabs. Wear resistance is assessed by measuring the wear of the cutting part of the crown when drilling holes, the total depth of which was 1 m. The test results are presented in Table 2.

Сравнительные испытания показали, что алмазно-металлические композиты, изготовленные предлагаемым способом, обладают износостойкостью, повышенной в 1,3-1,5 раза по сравнению с прототипом.Comparative tests have shown that diamond-metal composites manufactured by the proposed method have wear resistance increased by 1.3-1.5 times compared to the prototype.

Claims

A method for producing nanostructured diamond-metal composites, including introducing a carbon-containing additive into a powder material and forming carbide nanoparticles in situ during sintering, characterized in that the powder material contains tin bronze powder, chromium powder, and graphite powder as a carbon-containing additive, taken in the following ratio, wt. %:

tin bronze powder 70-90 chromium powder 9-27 graphite powder 1-3,

wherein after mixing the powders, they are mechanically activated in a planetary ball mill at a centrifugal acceleration of 15-20 g for 90-300 minutes, after which diamonds are additionally introduced into the activated powder material in an amount of 6.25-37.5% by volume of the composite, blanks are formed from the powder material and subjected to liquid-phase sintering for 30-60 minutes, wherein the liquid-phase sintering temperature is selected from the solidus-liquidus temperature range of tin bronze.