PL224205B1 - Kompozyt na osnowie diamentu z ceramiczną fazą wiążącą i sposób jego wytwarzania - Google Patents
Kompozyt na osnowie diamentu z ceramiczną fazą wiążącą i sposób jego wytwarzaniaInfo
- Publication number
- PL224205B1 PL224205B1 PL400163A PL40016312A PL224205B1 PL 224205 B1 PL224205 B1 PL 224205B1 PL 400163 A PL400163 A PL 400163A PL 40016312 A PL40016312 A PL 40016312A PL 224205 B1 PL224205 B1 PL 224205B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- diamond
- pressure
- tib2
- phase
- sintering
- Prior art date
Links
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Description
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest kompozyt na osnowie diamentu z ceramiczną fazą wiążącą i sposób jego wytwarzania w procesie spiekania wysokociśnieniowego proszku diamentu, z nowym rodzajem fazy wiążącej. Kompozyt diamentowy ma zastosowanie do wytwarzania materiałów przeznaczonych na ostrza noży skrawających, a w szczególności na końcówki nagniataków.
Ostrza diamentowe stosowalne w obróbce skrawaniem mają najczęściej postać kształtek wykonanych z tworzywa dwuwarstwowego. Pierwszą - pracującą warstwę - stanowi spiek diamentowy, drugą warstwą jest wysoko kobaltowy węglik spiekany.
Znana metoda otrzymywania tych kształtek polega na spiekaniu mikroproszku diamentowego z dodatkową fazą wiążącą lub bez fazy wiążącej na podłożu z węglika spiekanego lub bez podłoża, w warunkach wysokich ciśnień, w specjalnych prasach o nacisku 25 do 50 kN wyposażonych w komorę wysokiego ciśnienia typu Bridgmana, Belt lub inną. W procesie spiekania w urządzeniach wysokociśnieniowych stosuje się ciśnienie do 10 GPa i temperaturę do 2200 K.
Inną grupą kompozytów diamentowych stosowanych w obróbce skrawaniem są monolityczne spieki diamentowe z fazą wiążącą w postaci węglika krzemu, bez warstwy stanowiącej podłoże. Jako fazę wiążącą najczęściej stosuje się metale grupy VIII, co przedstawiono w opisie patentowym US 4 985 051, metale grupy IV-VI oraz inne związki, najczęściej węgliki SiC, znane z opisu patentowego US 5 010 043, lub WC, TaC, znane między innymi z opisów patentowych US 4 525 178 i US 4 636 253. Węglik krzemu powstaje na skutek reakcji stopionego krzemu z węglem diamentu. Materiały z fazą wiążącą w postaci krzemu najczęściej przeznaczone są na ostrza w koronkach wiertniczych do obróbki skał i kamienia budowlanego.
Znanych jest kilka sposobów otrzymywania spieków diamentowych. W opisie patentowym US 3 913 280 przedstawiono sposób wytwarzania kompozytów na bazie polikrystalicznego diamentu o wielkości ziarna około 1 μm z różnymi dodatkami proszków o wielkościach mieszczących się w zakresie od 1 do 5 μm: 29% masy AI2O3, 29% masy MgO, 25% masy SiC, 66% masy WC, h-BN oraz 33% masy TiB2. Do spiekania przewidziano urządzenia przedstawione w opisach patentowych US 2 918 699, US 2 941 248, US 3 159 876 oraz dostępne w sprzedaży. Kompozyty diamentowe spieka się w temperaturze 2300 K przy ciśnieniu 6,5 GPa i krótkim czasie wynoszącym od 10 do 30 sekund.
W opisie patentowym US 6 454 027 przedstawiono technologię wytwarzania kompozytów diamentowych z udziałem węglików spiekanych typu WC-Co. Celem tego rozwiązania jest wytworzenie materiału o zwiększonej odporności na pękanie i wykruszanie bez znacznego obniżenia odporności na ścieranie w porównaniu do spieku PCD. Stosuje się do tego celu technologię HP-HT (High Pressure-High Temperature) przy temperaturze 1673 K, ciśnienie 55 MPa i czas 120 sekund. Ilość PCD w kompozycie diamentowym wynosi od 70-80% masy.
Spiekanie mikroproszków diamentowych prowadzi się z fazą wiążącą w postaci proszków metali, niemetali lub innego rodzaju związków w warunkach stabilności termicznej diamentu. W przypadku spiekania kompozytów warstwowych najczęściej wykorzystuje się dyfuzję kobaltu z warstwy spieku węglikowego do warstwy wstępnie sprasowanego proszku diamentowego umieszczonego bezpośrednio nad tą warstwą.
W zależności od zawartości fazy wiążącej rozróżnia się dwa rodzaje spieków diamentowych.
Pierwszy rodzaj zawiera powyżej 85% masy diamentu i jego struktura charakteryzuje się dużą ilością mocnych wiązań typu diament-diament. Spieki takie mają wysoką twardość lecz są kruche. Kobalt jest katalizatorem procesu spiekania diamentu i tworzy roztwory stałe z węglem. W warunkach stabilności termodynamicznej diamentu węgiel wytrąca się w postaci kryształów diamentu. Obecność tego metalu obniża parametry spiekania proszków diamentowych, to znaczy ciśnienie i temperaturę. Kobalt jest również katalizatorem przemiany odwrotnej czyli diamentu w grafit przy niższych temperaturach niż temperatura przemiany alotropowej diamentu bez udziału kobaltu. Obecność kobaltu w spiekach diamentowych ogranicza temperaturę jego stosowania, w powietrzu do około 970 K. W wyniku zastąpienia kobaltu inną fazą wiążącą będzie można zastosować spieki diamentowe w wyższych temperaturach, co ma znaczenie dla procesu ich łączenia z korpusem narzędzia, obróbki i pracy ostrza z tego materiału. Wyeliminowanie konieczności stosowania cieczy chłodząco-smarujących szkodliwych dla zdrowia i środowiska ma istotne znaczenie ze względów ekonomicznych i ekologicznych. Dzięki obecności kobaltowej fazy wiążącej spieki diamentowe przewodzą prąd elektryczny i jest możliwe ich przecinanie i kształtowanie przy pomocy metod obróbki elektroerozyjnej.
PL 224 205 B1
Drugi rodzaj spieków zawiera mniej niż 85% masy diamentu i więcej niż 15% masy innej ceramicznej fazy wiążącej najczęściej w postaci SiC. Węglik krzemu najczęściej powstaje in situ podczas reakcji spiekania mieszaniny proszków diamentu i krzemu. Krzem podczas procesu spiekania występuje w postaci fazy ciekłej i wypełnia wszystkie przestrzenie międzyziarnowe pomiędzy cząstkami diamentu. Spieki takie są mniej kruche w stosunku do spieków z kobaltową fazą wiążącą i bardziej odporne na wysokie temperatury, jednak nie przewodzą prądu elektrycznego i do ich przecinania i kształtowania ostrzy muszą być zastosowane inne niż elektroerozyjne techniki np. metody ultradźwiękowe i laserowe. Ze względu na możliwość wykruszeń krawędzi skrawającej nie są stosowane jako ostrza noży tokarskich, natomiast doskonale sprawdzają się w obróbce kamienia budowlanego i w narzędziach wiertniczych, gdzie występują duże obciążenia dynamiczne i wysokie temperatury.
W opisie patentowym US 5 169 572 przedstawiono rozwiązanie, które dotyczy zagęszczania wyprasek między innymi z proszku diamentu z dwuborkiem tytanu oraz wyprasek z węglika tytanu i węglika boru za pomocą szybkiego grzania pulsacyjnego pod ciśnieniem. Celem lego rozwiązania jest opracowanie procesu wytwarzania wyrobów o dużej gęstości z mieszanek materiałów o zróżnicowanej oporności właściwej. Mieszankę wytworzoną z proszku materiału przewodzącego prąd elektryczny i proszków materiałów o własnościach dielektrycznych lub proszków z materiałów półprzewodnikowych poddaje się ciśnieniu i intensywnym impulsom prądu elektrycznego w dostatecznie krótkim czasie. Jedną z mieszanek typowych ze względu na właściwości jest mieszanka zawierająca proszek diamentu z borkiem tytanu i węglikami boru.
Trudności jakie występują przy otrzymywaniu kompozytu o osnowie diamentu z dodatkiem wysokotopliwej fazy ceramicznej są spowodowane skłonnością diamentu do grafityzacji przy wysokich temperaturach i niskich ciśnieniach. Zgodnie z opisywanym rozwiązaniem, stosując niewielkie ciśnienie i bardzo szybkie grzanie uzyskuje się spiek dwuborku tytanu i diamentu niewykazujący kruchości, o składzie 60% diamentu i 40% dwuborku tytanu. Stosuje się proszek diamentu o wielkości ziarna 40-60 mikrometrów i proszek dwuborku tytanu o wielkości ziarna 44 mikrometry. Zasypkę wykonaną z mieszanki proszków umieszcza się w matrycy o średnicy ok. 3,2 mm. Stosuje się prąd o napięciu 1600 V i pojemności 136 gF. W procesie stosuje się próżnię wynoszącą ok. 130 Pa i ciśnienie 73 MPa.
Rozwiązanie znane z opisu CN 102173811 dotyczy wytwarzania materiału ceramicznego bez osnowy diamentowej, z mieszaniny wyjściowej zawierającej dwuborek tytanu TiB2 w ilości 43,0% do 71,4%, Ti (C,N) w ilości 10,2% do 39,2%, Ni w ilości 11,0% do 11,4%, Mo w ilości 6,8% do 7%. Mieszaninę poddaje się obróbce w młynie kulowym a następnie spieka w formie grafitowej przy rosnącej temperaturze 70°C min, do 1600°C, pod ciśnieniem 32 MPa. Otrzymuje się kompozyt TiB2 - Ti (C,N).
Z opisu CN 102557644 znany jest sposób wytwarzania materiału kompozytowego bez osnowy diamentowej, zawierającego dwuborek tytanu TiB2 z potrójną warstwą Ti3AlC2. Sposób polega na zmieszaniu proszków obu składników metodami mechanicznymi w czasie 5 do 40 godzin, sprasowaniu na zimno pod ciśnieniem 5 do 20 MPa do postaci masy, umieszczeniu w grafitowej formie, ogrzewaniu do temperatury 1400 do 1600°C i poddaniu reakcji in situ w czasie ½ do 4 godzin pod ciśnieniem 20 do 40 MPa w atmosferze ochronnej gazu obojętnego.
Z opisu US 20070151167A1 znane są kompozyty ceramiczne zawierające dwie niediamentowe fazy - w formie AlxMgyB14 gdzie x oraz y<=1 lub innych podstawników oraz TiB2 lub inne dwuborki grupy IVB. Faza dwuborku tytanu występuje w kompozycie w ilości wagowo 40% do 90%.
Celem niniejszego wynalazku jest otrzymanie nowego rodzaju kompozytu diamentowego, z fazą wiążącą inną od dotychczas stosowanych, zapewniającą lepszą odporność temperaturową i lepsze właściwości wytrzymałościowe.
Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że kompozyt ma fazę wiążącą, którą stanowi dwuborek tytanu TiB2, dodawany do osnowy diamentowej w ilości od 5% do 30% masy.
Sposób wytwarzania kompozytu według wynalazku polega na tym, że jako fazę wiążącą stosuje się mikroproszek lub submikroproszek dwuborku tytanu TiB2 w ilości od 5% do 30% masy i mieszaninę wyjściową poddaje się spiekaniu wysokociśnieniowemu pod ciśnieniem od 7,0 GPa do 9,0 GP w temperaturze od 1950 do 2250 K.
Dwuborek tytanu TiB2 jest materiałem charakteryzującym się bardzo dobrymi właściwościami mechanicznymi i fizycznymi takimi jak wysoka twardość, ok. 3500 HV, wysoka temperatura topnienia, 3 powyżej 3200 K, stosunkowo niewielka gęstość, 4500 kg/m3, dobra przewodność elektryczna równa
-1 -1
14.4 gQ.cm, bardzo dobra przewodność cieplna 25 Wm K- , bardzo dobre własności mechaniczne w podwyższonych temperaturach, niski współczynnik rozszerzalności cieplnej 8.1x10-6 K-1, dobra odporność chemiczna, odporność na utlenianie do temperatury 1673 K oraz odporność na erozje
PL 224 205 B1 ciekłych metali. Obecność fazy wiążącej typu TiB2 w spiekach diamentowych powoduje, że przewodzą one prąd elektryczny, co znacznie ułatwia ich przecinanie t kształtowanie przy pomocy metod obróbki elektroerozyjnej.
Spośród różnych metod syntezę cząstek TiB2 in situ do wytworzenia cząstek TiB2 wykorzystuje się syntezę TiB2 drogą klasycznej samorzutnej reakcji, egzotermicznej (SHS), syntezę TiB2 drogą samorzutnej reakcji egzotermicznej w kąpieli aluminium (SHSB), syntezę wykorzystującą reakcję wymiany pomiędzy składnikami soli K2TiF6 i KBF4, prowadzącą do powstania związku TiB2.
Faza wiążąca według wynalazku różni się w istotny sposób od dotychczas znanych tym, że jej udział w spieku nie wpływa na znaczne obniżenie twardości spieku, gdyż faza ceramiczna dwuborku tytanu charakteryzuje się wysoką twardością.
Zastosowanie TiB2, w pierwszym etapie spiekania wysokociśnieniowego, zapewnia prawidłowy rozkład naprężeń pomiędzy cząstkami spiekanej mieszaniny diamentu i dwuborku tytanu, co zapobiega procesowi grafityzacji. Zapewnia to także mocne połączenie pomiędzy cząstkami spiekanego materiału.
W drugim etapie procesu spiekania w strefie kontaktu następują reakcje chemiczne, w wyniku których powstają niewielka ilość TiC oraz grafit. Otrzymany kompozyt spiekany zawiera diament, fazę ceramiczną: TiB2 i TiC (0,2%) oraz dopuszczalne ilości grafitu.
Lepszy rozkład naprężeń wewnątrz materiału ma istotne znaczenie w przypadku spiekania materiałów kruchych i twardych, gdyż w materiale spiekanym pod ciśnieniem wewnątrz materiału pojawia się nierównomierny rozkład naprężeń. W takich warunkach dla spieku diamentowego, część ziarna diamentu znajduje się w stanie naprężeń ściskających, w miejscach styku ziaren, natomiast w lukach międzyziarnowych, na powierzchni ziaren występują naprężenia rozciągające. Efektem występowania naprężeń rozciągających jest obniżenie ciśnienia w tej części ziarna. Ciśnienie i temperatura w strefie naprężeń rozciągających mogą odpowiadać stanowi równowagi termodynamicznej grafitu, czego następstwem jest powierzchniowa grafityzacja ziaren diamentu na skutek przemiany alotropowej diamentu w grafit. Faza wiążąca wypełniająca przestrzenie międzyziarnowe poprawia rozkład naprężeń w spiekanym ciśnieniowo materiale i stwarza pseudoizostatyczne warunki spiekania, zabezpieczając diament przed grafityzacją. Z wymienionych powodów zastosowanie ceramiki w postaci TiB2 jest bardzo korzystne.
Dla kompozytów według wynalazku twardość Vickersa HV1 wynosi 46 GPa, moduł sprężystości wzdłużnej (moduł Younga) 550 GPa. Kompozyt diament-TiB2 charakteryzuje się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi, przykładowo wytrzymałość na ściskanie średnicowe dla kompozytu otrzymanego z 90% masy diamentu o wielkości 3-6 um oraz 10% masy TiB2 wynosi 400 MPa. Krytyczny
1/2 współczynnik intensywności naprężeń (odporność na pękanie) dla tego materiału wynosi 7,0 MPa m1/2. Obecność TiB2 jako fazy wiążącej w spieku diamentowym jest korzystna również ze względu na jego właściwości tribologiczne (niski współczynnik tarcia wynoszący u=0,17±0,04). Uzyskane własności świadczą o przydatności tego spieku do wykorzystania go jako materiału narzędziowego. Zwiększenie ilości fazy wiążącej w postaci TiB2 wpływa niekorzystnie na własności mechaniczne spieku, powoduje spadek twardości Vickersa jak i obniżenie wartości modułu Younga. Wysoka wartość krytycznego współczynnika intensywności naprężeń pozwala na zmianę zastosowań tego materiału narzędziowego, dla obróbki w warunkach obciążeń dynamicznych oraz jako końcówka nagniataka.
P r z y k ł a d 1
Przygotowano mieszaninę 90% masy proszku diamentowego o wielkości 3-6 um oraz 10% masy proszku TiB2 o wielkości około 3 um. Po wstępnym sprasowaniu kształtki o średnicy 15 mm i wysokości 5 mm umieszczano ją w specjalnych wkładach reakcyjnych do spiekania wysokociśnieniowego. Materiał spiekano w prasie z komorą Bridgmana stosując ciśnienie 7,8±0,5 GPa i temperatu3 rę 2235 K. Otrzymano kompozyt o twardości HV1 ok. 46 GPa i gęstości pozornej 3,38 g/cm3. Moduł Younga tego kompozytu wynosi 552 GPa.
P r z y k ł a d 2
Przygotowano mieszaninę 90% masy proszku diamentowego o wielkości 3-6 um oraz 10% masy proszku TiB2 o wielkości poniżej 100 nm. Po wstępnym sprasowaniu kształtki o średnicy 15 mm i wysokości 5 mm umieszczano ją w specjalnych wkładach reakcyjnych do spiekania wysokociśnieniowego. Materiał spiekano w prasie z komorą Bridgmana stosując ciśnienie 7,8±0,5 GPa i temperaturę 2235 K. Otrzymano kompozyt o twardości HV1 równej 46,3 GPa i gęstości pozornej 3
3,32 g/cm3. Moduł Younga tego kompozytu wynosi 561 GPa.
Claims (2)
1. Kompozyt na osnowie z diamentu składający się z mikroproszku diamentowego i ceramicznej, niediamentowej fazy wiążącej, znamienny tym, że fazę wiążącą stanowi dwuborek tytanu TiB2 w ilości od 5% do 30% masy.
2. Sposób wytwarzania kompozytu na osnowie diamentu polegający na wymieszaniu proszku diamentowego z fazą wiążącą i spiekaniu mieszaniny w odpowiednich warunkach wysokich ciśnień i temperatur, znamienny tym, że jako fazę wiążącą stosuje się mikroproszek dwuborku tytanu TiB2 w ilości od 5% do 30% masy i mieszaninę wyjściową poddaje się spiekaniu wysokociśnieniowemu pod ciśnieniem od 7,0 GPa do 9,0 GPa w temperaturze od 1950 K do 2250 K.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PL400163A PL224205B1 (pl) | 2012-07-27 | 2012-07-27 | Kompozyt na osnowie diamentu z ceramiczną fazą wiążącą i sposób jego wytwarzania |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PL400163A PL224205B1 (pl) | 2012-07-27 | 2012-07-27 | Kompozyt na osnowie diamentu z ceramiczną fazą wiążącą i sposób jego wytwarzania |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
PL400163A1 PL400163A1 (pl) | 2014-02-03 |
PL224205B1 true PL224205B1 (pl) | 2016-11-30 |
Family
ID=50023118
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PL400163A PL224205B1 (pl) | 2012-07-27 | 2012-07-27 | Kompozyt na osnowie diamentu z ceramiczną fazą wiążącą i sposób jego wytwarzania |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
PL (1) | PL224205B1 (pl) |
-
2012
- 2012-07-27 PL PL400163A patent/PL224205B1/pl unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
PL400163A1 (pl) | 2014-02-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6585179B2 (ja) | 超硬質構造物とその製造方法 | |
JP3309897B2 (ja) | 超硬質複合部材およびその製造方法 | |
US8506881B2 (en) | Intermetallic bonded diamond composite composition and methods of forming articles from same | |
ES2535752T3 (es) | Método para producir un cuerpo compuesto sinterizado | |
GB2335440A (en) | Metal-matrix diamond or CBN composite | |
WO2009138970A1 (en) | Boron carbide composite materials | |
KR20130099962A (ko) | 자가-소결된 다결정성 입방정 질화붕소(pcbn) 절삭 요소 및 상기 자가-소결된 pcbn 절삭 요소의 형성 방법 | |
US20110262295A1 (en) | Method for fabricating hard particle-dispersed composite materials | |
US20150027065A1 (en) | Diamond composite and a method of making a diamond composite | |
JP2019006662A (ja) | ホウ素系結合材を用いたダイヤモンド基複合材及びその製造方法、並びにこれを用いた工具要素 | |
GB2524401A (en) | Superhard constructions & methods of making same | |
US20050226691A1 (en) | Sintered body with high hardness for cutting cast iron and the method for producing same | |
EP0816304B1 (en) | Ceramic bonded cubic boron nitride compact | |
Rosinski et al. | Properties of WCCO/diamond composites produced by PPS method intended for drill bits for machining of building stones | |
CN111266573A (zh) | 一种聚晶立方氮化硼复合片的制备方法 | |
Jaworska | Diamond composites with TiC, SiC and Ti 3 SiC 2 bonding phase | |
PL224205B1 (pl) | Kompozyt na osnowie diamentu z ceramiczną fazą wiążącą i sposób jego wytwarzania | |
RU2698827C1 (ru) | Способ получения сверхтвердого материала и сверхтвердый материал на основе пентаборида вольфрама | |
WO2003057936A1 (en) | Metal carbide composite | |
JPS6311414B2 (pl) | ||
JPH1179839A (ja) | 炭化タングステン系超硬質材料およびその製造方法 | |
JP7473149B2 (ja) | 高硬度ダイヤモンド基塊状工具素材およびその製法 | |
PL212600B1 (pl) | Kompozyt diamentowy i sposób jego wytwarzania | |
JP7470294B2 (ja) | 焼結ダイヤモンド熱拡散素材及びその製造方法 | |
WO2022025800A1 (ru) | Материалы на основе тетраборида хрома и способы их получения |