Способ изготовления изделий из алмазосодержащих композиционных материалов

Способ изготовления изделий из алмазосодержащих композиционных материалов

Реферат

Изобретение относится к алмазосодержащим композиционным материалам, широко используемым для изготовления алмазного инструмента: резцов, выглаживателей, опор, фильер и т.д.

Известен способ изготовления изделий из алмазосодержащих композиционных материалов, включающий формирование прессованием пористой заготовки на основе алмазного порошка и ее инфильтрацию металлокерамическим расплавом [Доклады АН СССР. 1975 г., т.220 №1, с.78].

В соответствии с указанным способом в качестве инфильтранта используют расплавы медно-титановых сплавов.

Недостатком способа является недостаточно высокая прочность готовых изделий и неравномерность свойств материала даже в образцах размером ⌀15×h 5 мм.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ изготовления изделий из алмазосодержащих композиционных материалов, включающий пресс-камерное формование пористой заготовки на основе алмазного порошка и ее инфильтрацию жидким кремнием [Известия вузов. Черная металлургия. 2011 г., №1, с.31].

В соответствии с указанным способом алмазный порошок имеет размеры 3-5 мкм, а в качестве инфильтранта используют расплавы сплавов системы Ni-Si; причем инфильтрацию расплавом осуществляют в камерах высокого давления (≥3,4 ГПа).

Способ обеспечивает возможность изготовления изделий из алмазосодержащих композиционных материалов с более высокой прочностью и более равномерными по объему изделия свойствами.

Недостатком способа является его сложность из-за необходимости применения высоких давлений, усугубляющаяся с увеличением габаритов изделий.

Задачей изобретения является упрощение способа изготовления изделий из алмазосодержащих композиционных материалов при сохранении их функциональных свойств.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе изготовления изделий из алмазосодержащего композиционного материала, включающем пресс-камерное формование пористой заготовки из пресс-массы на основе ультрадисперсного алмазного порошка и ее инфильтрацию жидким кремнием, в соответствии с заявляемым техническим решением пресс-массу готовят на основе алмазного порошка и временного связующего, формование пористой заготовки производят при комнатной температуре, нагревают полученную заготовку до температуры полного удаления летучих из временного связующего, а инфильтрацию жидким кремнием осуществляют путем капиллярной конденсации его паров в интервале температур 1300-1450°C и давления в реакторе не более 36 мм рт.ст.

В предпочтительном варианте выполнения способа пресс-массу готовят на основе алмазного порошка в капсуле из пироуглерода.

Приготовление пресс-массы на основе алмазного порошка и временного связующего создает предпосылки для осуществления формования заготовки при комнатной температуре и сохранения ее формы до инфильтрации жидким кремнием.

Формование пористой заготовки при комнатной температуре позволяет упростить данный процесс, в том числе и за счет снижения требований к прочности пресс-формы, а также создает условия для сохранения формы заготовки при ее последующем нагреве с размещением в свободном состоянии.

Осуществление нагрева отформованной заготовки до полного удаления летучих из временного связующего позволяет придать материалу заготовки (перед инфильтрацией в нее жидкого кремния) открыто-пористую структуру.

Осуществление инфильтрации жидким кремнием путем капиллярной конденсации его паров в интервале температур 1300-1450°C и давления в реакторе не более 36 мм рт.ст. позволяет наиболее полно заполнить поры материала заготовки кремнием и при этом не допустить превращения алмаза в графит. При температуре ниже 1300°C существенно снижается скорость конденсации паров кремния. При температурах выше 1450°C повышается вероятность перехода алмаза в графит.

При давлении в реакторе более 36 мм рт.ст. снижается скорость испарения кремния, следствием чего является снижение скорости конденсации паров кремния в порах материала заготовки.

Приготовление (в предпочтительном варианте выполнения способа) пресс-массы на основе алмазного порошка в капсуле из пироуглерода позволяет уменьшить степень переработки алмаза в карбид кремния (и тем самым несколько повысить функциональные свойства алмазосодержащего композиционного материала).

В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения появляется новое свойство: способность получить алмазосодержащий композиционный материал изделия без необходимости применения при высоких температурах высокого давления и при этом не допустить превращения алмаза в графит.

Новое свойство позволяет упростить способ изготовления изделий из алмазосодержащих композиционных материалов при сохранении его функциональных свойств.

Способ осуществляют следующим образом.

Одним из известных способов готовят пресс-массу на основе ультрадисперсного алмазного порошка и временного связующего. При этом в предпочтительном варианте выполнения способа пресс-массу готовят на основе алмазного порошка в капсуле из пироуглерода. Затем в пресс-форме производят формование пористой заготовки при комнатной температуре. После этого заготовку в свободном состоянии нагревают до температуры полного удаления летучих из временного связующего. Затем осуществляют инфильтрацию жидкого кремния в поры материала заготовки. Причем указанную инфильтрацию осуществляют путем капиллярной конденсации паров кремния в интервале температур 1300-1450°C и давления в реакторе не более 36 мм рт.ст.

После завершения операции инфильтрации кремния в поры материала заготовки ее охлаждают и извлекают из реактора вакуумной установки.

Ниже приведены примеры конкретного выполнения способа.

Пример 1

Изготавливали образцы ⌀12 мм и высотой 5 мм.

Пресс-массу готовили одним из известных способов на основе порошков синтетического алмаза с размером кристаллов 3-5 мкм и временного связующего, в качестве которого использовали 8%-ный раствор поливинилового спирта (ПВС) в воде.

Формование заготовки(ок) осуществляли на прессе при комнатной температуре и давлении 300 кгс/см².

После этого заготовку(и) в свободном состоянии нагревали в среде азота до температуры полного удаления летучих из временного связующего, а именно до 850°C. В результате получали заготовку из материала, имеющего открыто-пористую структуру. Затем производили инфильтрацию жидкого кремния в поры материала заготовки(ок). Причем указанную инфильтрацию осуществляли путем капиллярной конденсации паров кремния в интервале температур 1300-1450°C и давления в реакторе не более 36 мм рт.ст. Для этого заготовку(и) устанавливали в свободном состоянии в реактор вакуумной установки, оснащенной дополнительным нагревателем для подогрева тиглей с кремнием, имеющим автономный источник питания. Нагрев заготовки(ок) производили до 1300°C при давлении в реакторе не более 36 мм рт.ст. (в конкретном случае - 3 мм рт.ст.). При достижении заготовкой температуры 1300°C на тиглях с кремнием устанавливали температуру 1400°C, для чего производили их подогрев дополнительным нагревателем.

После двухчасовой выдержки при указанных параметрах температуру на заготовке увеличили до 1350°C, а на тиглях с кремнием - до 1420°C.

Благодаря наличию разницы температур между парами кремния и заготовкой(ами) происходила их капиллярная конденсация.

После восьмичасовой выдержки при указанных параметрах температуру на заготовке(ах) увеличили до 1420°C, не увеличивая температуру на тиглях с кремнием, и произвели часовую выдержку при указанных параметрах. На этом процесс капиллярной конденсации паров кремния (инфильтрации кремния в поры заготовки) завершился.

После этого произвели охлаждение заготовки(ок) до комнатной температуры при температуре заготовки, на 10-20 градусов превышающей температуру тиглей с кремнием.

Остальные примеры конкретного выполнения способа, где примеры 1-4 соответствуют заявляемым пределам, а примеры 5-10 с отклонением от заявляемых пределов, приведены в таблице 1. Здесь же в более кратком изложении приведен пример 1.

Кроме того, здесь же приведены свойства материала, изготовленного в соответствии со способом-прототипом (пример 11), хотя само изготовление указанным способом нами не производилось.

На основе анализа таблицы можно сделать следующие выводы:

1. Изготовление изделий в соответствии с заявляемым способом (примеры 1-4) позволяет получить материал с высокими значениями твердости и прочности, близкими к уровню значений материала, получаемого в соответствии со способом-прототипом. При этом использование в пресс-массе порошка алмаза в капсуле из пироуглерода приводит к дополнительному увеличению твердости материала (сравни пример 2 с примером 1). Аналогичный эффект проявляется при использовании в пресс-массе смеси порошков алмаза, а именно: мелкодисперсного и ультрадисперсного (сравни пример 4 с примером 1);

2. Проведение капиллярной конденсации паров кремния при температуре изделия ниже 1300°C приводит к снижению эффективности указанного процесса, следствием чего является либо снижение твердости и плотности материала из-за сравнительно низкой его прочности (пример 5), либо существенное увеличение длительности процесса (пример 6);

3. Проведение капиллярной конденсации паров кремния при давлении в реакторе более 36 мм рт.ст. приводит к снижению эффективности указанного процесса из-за уменьшения скорости испарения кремния, следствием чего является снижение твердости и прочности материала из-за снижения его плотности (примеры 7 и 8);

4. Проведение капиллярной конденсации паров кремния при температуре на заготовке более 1450°C приводит к снижению твердости и прочности материала из-за частичной графитизации алмаза (примеры 9, 10).

Таблица
№ п/п	Состав пресс-композиции	Хар-ки пористой заготовки	Технологические параметры процесса капиллярной конденсации паров кремния	Основные свойства алмазосодержащего KM
γ, г/см3	ОП, %	начальная t выдержки, °C	Время выдержки на начальной t, часов	Конечная t выдержки, °C	Давление в реакторе, мм рт.ст.	Время выхода на конечную t, часов	Время выдержки при конечной t, часов	γ, г/см3	ОП, %	Твердость по Виккерсу, ГПа	σск, МПа
на заготовке	на тиглях c Si	на заготовке	на тилях с Si
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
1.	Порошок синтетического алмаза с размером частиц 3-5 мкм; связующее 8%-ный ПВС	2,12	40	1300	1400	2	1350	1420	3	2	8	3,17	0,1	60	396
2.	Порошок синтетического алмаза в капсуле из пироуглерода (размер частиц 4-6 мкм); связующее 8%-ный ПВС	2,03	45	-//-	-//-	-//-	-//-	-//-	-//-	-//-	-//-	3,09	0,08	70	428
3.	Порошок синтетического алмаза с размером частиц 3-5 мкм; связующее 6%-ный раствор карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) в воде	2,14	41	-//-	-//-	-//-	-//-	-//-	-//-	-//-	-//-	3,15	0,14	65	384
4.	Порошок синтетического алмаза с размером частиц 3-5 мкм (70 вес.%) и с размером частиц 0,5-2,5 мкм (30 вес.%); связующее 8%-ный ПВС	2,19	38	-//-	-//-	-//-	-//-	-//-	-//-	-//-	-//-	3,24	0,06	73	439

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
5.	Порошок синтетического алмаза с размером частиц 3-5 мкм; связующее 8%-ный ПВС	2,11	40	1200	1300	5	1250	1320	3	2	10	2,68	11,9	38	270
6.	-//-	2,11	40	-11-	-11-	5	-11-	-11-	3	2	24	2,91	0,7	56	383
7.	-//-	2,11	40	1300	1400	2	1350	1420	50	1	8	2,73	10,1	48	325
8.	-//-	2,11	40	-//-	-//-	-//-	-//-	-//-	180	-//-	-//-	2,44	-	-	184
9.	-//-	2,12	38	1400	1450	4	1500	1530	3	1	2	2,89	0,7	26	-
10.	-//-	2,12	38	1450	1480	3	1550	1570	3	1	1	2,75	0,9	20	-
11.	В соответствии с прототипом													89	450

1. Способ изготовления изделий из алмазосодержащего композиционного материала, включающий приготовление пресс-массы из алмазного порошка с временным связующим, прессование заготовки при комнатной температуре, нагрев полученной заготовки до полного удаления летучих из связующего с получением пористой заготовки и ее инфильтрацию жидким кремнием, отличающийся тем, что инфильтрацию жидким кремнием осуществляют путем капиллярной конденсации его паров в интервале температур 1300-1450°C при давлении в реакторе не более 36 мм рт.ст. и температуре паров кремния, превышающей температуру заготовки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пресс-массу готовят на основе алмазного порошка в капсуле из пироуглерода.