RU2151814C1 - Method of preparing diamond-containing material and material prepared by this method - Google Patents
Method of preparing diamond-containing material and material prepared by this method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2151814C1 RU2151814C1 RU99100821/02A RU99100821A RU2151814C1 RU 2151814 C1 RU2151814 C1 RU 2151814C1 RU 99100821/02 A RU99100821/02 A RU 99100821/02A RU 99100821 A RU99100821 A RU 99100821A RU 2151814 C1 RU2151814 C1 RU 2151814C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- diamond
- metal
- silicon
- group
- exceed
- Prior art date
Links
Landscapes
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области получения сверхтвердых материалов, а более конкретно к алмазосодержащим композитам, и может найти применение при изготовлении абразивного инструмента. The invention relates to the field of obtaining superhard materials, and more particularly to diamond-containing composites, and may find application in the manufacture of abrasive tools.
В современных условиях ужесточаются требования к абразивным материалам, в частности к глубине и скорости обработки, а также требования к обработке поверхностей, имеющих впадины и проточки, труднодоступные для механической обработки. In modern conditions, the requirements for abrasive materials are tightened, in particular for the depth and speed of processing, as well as the requirements for the treatment of surfaces having cavities and grooves, difficult to access for machining.
Отмеченное приводит к необходимости создания абразивного инструмента высокой износостойкости и сложной формы. Повышение износостойкости алмазного абразивного материала может быть достигнуто повышением износостойкости матрицы (связки), удерживающей алмазные зерна в рабочем (поверхностном) слое материала. Весьма перспективным для этого оказывается использование карбидокремниевых матриц, обладающих высокой твердостью и износостойкостью. The aforementioned leads to the need to create an abrasive tool of high wear resistance and complex shape. An increase in the wear resistance of diamond abrasive material can be achieved by an increase in the wear resistance of the matrix (bond) holding diamond grains in the working (surface) layer of the material. The use of silicon carbide matrices with high hardness and wear resistance is very promising for this.
Алмазный инструмент с карбидокремниевой матрицей может быть получен, например, прессованием дисперсий, состоящих из сажи и кристаллов алмаза различной концентрации с последующей пропиткой кремнием в условиях стабильности алмаза (давление более 30 тыс.атм) [1]. К недостаткам известной технологии можно отнести сложность, энергоемкость, необходимость применения специального оборудования. Условия проведения известного процесса позволяют получить материал, содержащий кристаллы алмаза в матрице из карбида кремния и кремния, относительно небольших размеров и простых форм: как правило, цилиндрических. Известная технология не позволяет получить изделия заданной формы и больших размеров и оказывается очень дорогой. A diamond tool with a silicon carbide matrix can be obtained, for example, by pressing dispersions consisting of soot and crystals of diamond of various concentrations, followed by impregnation with silicon under conditions of diamond stability (pressure over 30 thousand atm) [1]. The disadvantages of the known technology include the complexity, energy intensity, the need for special equipment. The conditions of the known process allow to obtain a material containing diamond crystals in a matrix of silicon carbide and silicon, relatively small sizes and simple shapes: usually cylindrical. Known technology does not allow to obtain products of a given shape and large size and is very expensive.
Более прост и экономичен в реализации способ, включающий формование заготовки из алмазного порошка, ее термообработку и последующую пропитку жидким кремнием при давлении ниже 1000 мм рт.ст. Известный способ позволяет получить абразивные изделия заданных размеров (в том числе и больших размеров) и разнообразных форм, имеющие высокую прочность и требующие минимальной механической обработки [2]. A simpler and more economical method to implement is the formation of a blank from diamond powder, its heat treatment and subsequent impregnation with liquid silicon at a pressure below 1000 mm Hg. The known method allows to obtain abrasive products of a given size (including large sizes) and various shapes, having high strength and requiring minimal machining [2].
Известный способ относительно прост для реализации, однако позволяет получать только материалы близкие по своему составу: материал, полученный известным способом, представляет собою практически беспористый композит, состоящий из зерен алмаза и матрицы из карбида кремния и кремния, равномерно распределенных в объеме. То есть материал содержит в своем составе алмаз, карбид кремния и кремний. The known method is relatively simple to implement, however, it allows only materials of a similar composition to be obtained: the material obtained in a known manner is a practically non-porous composite consisting of diamond grains and a matrix of silicon carbide and silicon uniformly distributed in volume. That is, the material contains diamond, silicon carbide and silicon.
Известный материал имеет хорошие механические и абразивные свойства. Однако для расширения спектра применения алмазосодержащих материалов, например для абразивной обработки материалов с различной твердостью, целесообразно иметь материалы с различной прочностью, твердостью, износостойкостью, устойчивостью при высоких температурах, а также иметь технологически простые способы, обеспечивающие получение таких материалов. Known material has good mechanical and abrasive properties. However, to expand the range of applications of diamond-containing materials, for example, for abrasive processing of materials with different hardness, it is advisable to have materials with different strengths, hardness, wear resistance, resistance at high temperatures, as well as to have technologically simple methods for obtaining such materials.
Задачей настоящего изобретения является создание алмазосодержащего материала, обеспечивающего расширение спектра его применения за счет варьирования его состава и свойств, например прочности, твердости, износостойкости и других механических свойств, а также способа, позволяющего относительно просто получать такой материал. The objective of the present invention is to provide a diamond-containing material that expands the range of its application by varying its composition and properties, for example, strength, hardness, wear resistance and other mechanical properties, as well as a method that makes it relatively easy to obtain such a material.
Предлагаемое решение включает два изобретения, относящиеся к материалу и способу его изготовления, связанные между собой единым изобретательским замыслом. The proposed solution includes two inventions related to the material and the method of its manufacture, interconnected by a single inventive concept.
Технический результат достигается за счет того, что в способе, включающем формование заготовки из алмазосодержащей шихты, ее термообработку для образования полуфабриката, содержащего алмаз и углерод, и пропитку полученного полуфабриката расплавом, в качестве последнего используют расплав сплава, содержащего кремний и, по крайней мере, один из металлов из группы, включающей Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Al. Термообработку и пропитку алмазосодержащей заготовки осуществляют при давлениях менее 2 атм, предпочтительно менее 1000 мм рт.ст. The technical result is achieved due to the fact that in a method that includes forming a billet from a diamond-containing charge, its heat treatment to form a semi-finished product containing diamond and carbon, and impregnation of the obtained semi-finished product with a melt, the melt of an alloy containing silicon and at least one of the metals from the group comprising Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Al. Heat treatment and impregnation of a diamond-containing preform is carried out at pressures of less than 2 atm, preferably less than 1000 mm Hg.
Полученный указанным способом алмазосодержащий материал содержит алмаз, карбид кремния и карбид металла и/или силицид металла и/или сплав металла с кремнием. Металлом является, по крайней мере, один металл из группы, включающей Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Al. The diamond-containing material obtained by this method contains diamond, silicon carbide and metal carbide and / or a metal silicide and / or an alloy of metal with silicon. The metal is at least one metal from the group consisting of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Al.
Способ получения алмазосодержащего материала реализуют в несколько стадий следующим образом. The method of obtaining diamond-containing material is implemented in several stages as follows.
1. Формование заготовки. 1. Forming the workpiece.
Первой стадией способа является изготовление заготовки, содержащей алмазные зерна. В качестве исходной алмазосодержащей шихты для формования заготовки могут быть использованы:
- алмазные порошки (синтетические или природные) с зернистостью от 1 до 2000 мкм как широкой, так и узкой классификации по ГОСТ 9206-80;
- смеси алмазных порошков различных марок по качеству и классов по размеру, например такие смеси, в которых соотношение среднего размера более крупного зерна к среднему размеру более мелкого зерна больше 2. Такие же соотношения и в случае использования смеси из нескольких классов. При использовании смеси, с одной стороны, достигается большая компактность формовки, а с другой - наличие в конечном материале крупных и мелких алмазов, обеспечивающее сочетание высоких абразивных свойств с высокой стойкостью к износу;
- смеси алмазных порошков с порошками ковалентных и металлоподобных карбидов, например карбидом кремния и др. (при этом уменьшается объемное содержание алмазных частиц в материале, что целесообразно для ряда применений материала и уменьшает его стоимость), например как это описано в Патенте России N 2064399 (приор. 26.01.94).The first stage of the method is the manufacture of a workpiece containing diamond grains. As the initial diamond-containing mixture for forming the workpiece can be used:
- diamond powders (synthetic or natural) with granularities from 1 to 2000 microns, both wide and narrow classification according to GOST 9206-80;
- mixtures of diamond powders of various grades in quality and size classes, for example, mixtures in which the ratio of the average size of the coarser grain to the average size of the finer grain is greater than 2. The same ratios when using a mixture of several classes. When using the mixture, on the one hand, a greater compactness of molding is achieved, and on the other hand, the presence of large and small diamonds in the final material, which provides a combination of high abrasive properties with high wear resistance;
- a mixture of diamond powders with powders of covalent and metal-like carbides, for example silicon carbide, etc. (in this case, the volume content of diamond particles in the material decreases, which is useful for a number of applications of the material and reduces its cost), for example, as described in Russian Patent No. 2064399 ( prior. 01/26/94).
Для приготовления смеси могут быть использованы порошки алмаза и карбидов одинаковых или различных размеров, используя такие же соотношения, как и для смеси различных алмазных порошков;
- смеси алмазных порошков с порошками углеродных графитоподобных материалов, таких как сажи, коксы, углеродные волокна. При этом целесообразно использовать смеси с содержанием углеродных графитоподобных материалов менее 20 мас.%, более предпочтительно - менее 10 мас.%, например как это описано в Патенте США N 4220455 (приор. 10/1978)
- смеси алмазных порошков, порошков ковалентных и металлоподобных карбидов и углеродных графитоподобных материалов, используя соотношения, аналогичные указанным выше.To prepare the mixture, diamond and carbide powders of the same or different sizes can be used, using the same ratios as for a mixture of different diamond powders;
- mixtures of diamond powders with powders of carbon graphite-like materials such as soot, coke, carbon fiber. It is advisable to use mixtures with a carbon graphite-like material content of less than 20 wt.%, More preferably less than 10 wt.%, For example as described in US Pat. No. 4,220,455 (prior. 10/1978)
- mixtures of diamond powders, powders of covalent and metal-like carbides and carbon graphite-like materials, using ratios similar to those indicated above.
Для упрощения процесса формования целесообразно использовать временное связующее. Временным связующим могут быть известные органические или неорганические жидкости, например вода, этиловый спирт, гептан и другие аналогичные жидкости. Такое временное связующее легко удаляется из заготовки после формования. To simplify the molding process, it is advisable to use a temporary binder. Temporary binders can be known organic or inorganic liquids, for example water, ethyl alcohol, heptane and other similar liquids. Such a temporary binder is easily removed from the preform after molding.
Более целесообразно в качестве временного связующего использовать неконцентрированные растворы смол и клеев, например фенолформальдегидной смолы, поливинилацетата, поливинилового спирта и другие аналогичные. Это могут быть спиртовые, водные растворы или растворы на основе других органических жидкостей. Количество вводимого в заготовку связующего (сухой смолы или клея), как правило, не превышает 5% от массы алмаза. Использование смол и клеев делает сформованную заготовку более прочной и упрощает дальнейшую работу с ней. It is more advisable to use non-concentrated solutions of resins and adhesives, for example phenol-formaldehyde resin, polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol and other similar ones, as a temporary binder. It can be alcoholic, aqueous solutions or solutions based on other organic liquids. The amount of binder introduced into the preform (dry resin or glue), as a rule, does not exceed 5% by weight of diamond. The use of resins and adhesives makes the formed blank more durable and simplifies further work with it.
Кроме того, в качестве временного связующего могут быть использованы различные парафины или их растворы в органических жидкостях. При использовании твердых парафинов формование осуществляют в горячем состоянии. При использовании смол или парафинов, введенное временное связующее отверждают соответствующей термообработкой. In addition, various paraffins or their solutions in organic liquids can be used as a temporary binder. When using solid paraffins, the molding is carried out in a hot state. When using resins or paraffins, the introduced temporary binder is cured by appropriate heat treatment.
Для формования используют методы формования в прессформе с использованием прессового оборудования, методы гидростатического и инжекционного формования, а также методы шликерного литья или шликерного налива. For molding, molding methods are used in the mold using press equipment, hydrostatic and injection molding methods, as well as slip casting or slip filling methods.
При формовании заготовок могут быть также использованы приемы, позволяющие получать заготовки с неравномерным распределением порошков по объему, т. е. создавать в заготовке градиент распределения частиц алмаза, карбида, графитоподобных материалов. Это относится также к размеру частиц. Получение заготовок с неравномерным распределением частиц различного размера, т.е. таких у которых, например, частицы крупного размера сконцентрированы в большей степени у поверхности, целесообразно для изготовления градиентных алмазосодержащих материалов. Для создания градиента в заготовке могут быть использованы, например, методы послойного формования различных шихт, методы последовательного шликерного литья, методы расположения шихт различного состава в прессформе по выбранной схеме и последующего формования, размещение двух или нескольких предварительно сформованных частей заготовки различного состава друг над другом и любые другие методы, обеспечивающие указанные градиенты в конечной заготовке. When forming preforms, techniques can also be used that make it possible to obtain preforms with an uneven distribution of powders by volume, i.e., to create a distribution gradient of particles of diamond, carbide, graphite-like materials in the preform. This also applies to particle size. Obtaining blanks with an uneven distribution of particles of various sizes, i.e. such in which, for example, large particles are concentrated to a greater extent near the surface, it is advisable for the manufacture of gradient diamond-containing materials. To create a gradient in the workpiece, for example, methods for layer-by-layer molding of various blends, sequential slip casting methods, methods for arranging blends of different compositions in a mold according to a selected pattern and subsequent molding, placing two or more preformed parts of a blank of various compositions on top of each other can be used, and any other methods that provide these gradients in the final workpiece.
В большинстве случаев после собственно формовки полученные заготовки термообрабатывают при повышенных температурах (выше 100oC) для отверждения связующего или удаления таких связующих как парафин. Эта стадия является завершающей при получении заготовки.In most cases, after the molding itself, the resulting preforms are heat treated at elevated temperatures (above 100 ° C) to cure the binder or remove such binders such as paraffin. This stage is final upon receipt of the workpiece.
Следует отметить, что используемые и описанные методы формования обеспечивают получение пористых заготовок с относительно высокой пористостью (например, 20 - 65 об.%), при этом большинство пор являются открытыми. It should be noted that the molding methods used and described provide porous preforms with relatively high porosity (for example, 20–65 vol.%), With most pores being open.
2. Получение полуфабриката путем высокотемпературной термообработки заготовки. 2. Obtaining a semi-finished product by high-temperature heat treatment of the workpiece.
Термообработку полученной заготовки осуществляют при температурах 500-1700oC. При этом используют два вида сред: газообразные углеводороды и инертную среду или вакуум.The heat treatment of the obtained preform is carried out at temperatures of 500-1700 o C. In this case, two types of media are used: gaseous hydrocarbons and an inert medium or vacuum.
2.1. Термообработка в среде углеводородов. 2.1. Heat treatment in a hydrocarbon environment.
В среде углеводородов термообработку осуществляют при температурах выше температур разложения углеводородов, например 500-1200oC. При этом используют, например, такие углеводороды, как метан, этан, этилен, ацетилен, бензол и другие аналогичные. Могут быть использованы и смеси углеводородов, например природный газ. Следует отметить, что в указанных условиях происходит образование пироуглерода из углеводородов. Пироуглерод осаждается послойно на внутреннюю поверхность пор заготовки.In the environment of hydrocarbons, heat treatment is carried out at temperatures above the decomposition temperature of hydrocarbons, for example 500-1200 o C. In this case, use, for example, hydrocarbons such as methane, ethane, ethylene, acetylene, benzene and other similar. Mixtures of hydrocarbons, such as natural gas, may also be used. It should be noted that under these conditions pyrocarbon is formed from hydrocarbons. Pyrocarbon is deposited in layers on the inner surface of the pores of the workpiece.
Термообработку осуществляют до осаждения необходимого количества пироуглерода (как правило, менее 25% от исходной массы заготовки). Heat treatment is carried out before the deposition of the required amount of pyrocarbon (usually less than 25% of the initial mass of the workpiece).
Таким образом, в результате термообработки заготовки в среде углеводородов полученный полуфабрикат дополнительно содержит пироуглерод, синтезированный за счет разложения углеводородов. Thus, as a result of heat treatment of the billet in a hydrocarbon medium, the resulting semi-finished product additionally contains pyrocarbon synthesized by the decomposition of hydrocarbons.
2.2 Термообработка в среде инертного газа или в вакууме. 2.2 Heat treatment in an inert gas or in a vacuum.
В инертной среде (инертные газы, вакуум) термообработку осуществляют при температурах более высоких, чем термообработку в среде углеводородов, например при температурах 1200-1700oC. В ходе такой термообработки протекает процесс частичной графитации алмаза. Условия термообработки выбирают таким образом, чтобы процесс графитации не привел к полному превращению всех, содержащихся в заготовке алмазов в графит, а затронул, как правило, менее 50% объема всех алмазных частиц. Процесс графитации, который начинается с поверхности алмазной частицы и постепенно проникает в ее глубину, приводит тем самым к образованию полуфабриката с углеродным слоем на поверхности алмазных частиц.In an inert medium (inert gases, vacuum), heat treatment is carried out at temperatures higher than heat treatment in a hydrocarbon medium, for example, at temperatures of 1200-1700 o C. During this heat treatment, a partial graphitization of diamond proceeds. The heat treatment conditions are chosen so that the graphitization process does not lead to the complete conversion of all the diamonds contained in the preform into graphite, but affects, as a rule, less than 50% of the volume of all diamond particles. The graphitization process, which begins with the surface of a diamond particle and gradually penetrates into its depth, thereby leads to the formation of a semi-finished product with a carbon layer on the surface of diamond particles.
Следует заметить, что условия термообработки в инертной среде в ряде случаев близки к условиям осуществления пропитки, поэтому она может осуществляться на том же самом оборудовании, в том числе и непосредственно до начала процесса пропитки. It should be noted that the conditions of heat treatment in an inert medium in some cases are close to the conditions for the impregnation, so it can be carried out on the same equipment, including immediately before the impregnation process.
Кроме того, при необходимости может быть осуществлено последовательно две или несколько термообработок в различных средах. In addition, if necessary, two or more heat treatments can be carried out sequentially in different environments.
3. Пропитка полуфабриката расплавом. 3. Melt impregnation of the semi-finished product.
Для пропитки полученного полуфабриката используют расплав сплава, содержащего кремний и, по крайней мере, один из металлов, выбранный из группы: Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Al. При этом для достижения наилучших результатов используют такие сплавы в которых
- содержание металла из группы Ti, Zr, Hf не превышает 50 мас.%,
- содержание металла из группы V, Nb, Та не превышает 20 мас.%,
- содержание металла из группы хрома и рения не превышает 45 мас.%,
- содержание в сплаве металла из группы Mo, W не превышает 10 мас.%,
- содержание в сплаве металла из группы Mn, Fe, Co, Ni не превышает 60 мас.%.To impregnate the obtained semi-finished product, a melt of an alloy containing silicon and at least one of the metals selected from the group: Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Al. Moreover, to achieve the best results, alloys are used in which
- the metal content from the group Ti, Zr, Hf does not exceed 50 wt.%,
- the metal content of group V, Nb, Ta does not exceed 20 wt.%,
- the metal content from the group of chromium and rhenium does not exceed 45 wt.%,
- the content in the alloy of the metal from the group Mo, W does not exceed 10 wt.%,
- the content in the alloy of a metal from the group Mn, Fe, Co, Ni does not exceed 60 wt.%.
Пропитку расплавом осуществляют в инертной среде (вакуум, инертные газы). Давление инертных газов при осуществлении пропитки может быть высоким - вплоть до 1000 атм, но это усложняет оборудование и снижает технологичность процесса. Гораздо целесообразней использовать давления менее 2 атм, предпочтительнее - менее 1000 мм рт.ст. В этом случае достигается наилучшая технологичность процесса. Melt impregnation is carried out in an inert medium (vacuum, inert gases). The inert gas pressure during the impregnation can be high - up to 1000 atm, but this complicates the equipment and reduces the processability. It is much more advisable to use pressures of less than 2 atm, preferably less than 1000 mm Hg. In this case, the best processability is achieved.
Пропитку полуфабриката осуществляют наиболее удобными методами, например расплавлением соответствующего сплава непосредственно на поверхности полуфабриката, или, например, окунанием полуфабриката в соответствующий расплав или, например, наливом соответствующего расплава на поверхность полуфабриката. Impregnation of the semi-finished product is carried out by the most convenient methods, for example, by melting the corresponding alloy directly on the surface of the semi-finished product, or, for example, by dipping the semi-finished product in the corresponding melt or, for example, by pouring the corresponding melt on the surface of the semi-finished product.
Пропитку осуществляют при температурах, превышающих температуру плавления расплава, например, при температурах выше 1450oC для большинства сплавов или, например при температурах, превышающих 1100oC при использовании сплавов, содержащих Al, Cu, Ag.The impregnation is carried out at temperatures above the melting point of the melt, for example, at temperatures above 1450 o C for most alloys or, for example, at temperatures exceeding 1100 o C when using alloys containing Al, Cu, Ag.
Следует обратить внимание, что при реализации описанного способа используются низкие давления, а сами процессы термообработки и пропитки технологически очень просты и могут быть осуществлены на простом оборудовании, в том числе на печах с большими размерами камер. За счет этого по предлагаемому способу возможно получение деталей больших размеров. It should be noted that in the implementation of the described method low pressures are used, and the processes of heat treatment and impregnation are technologically very simple and can be carried out on simple equipment, including furnaces with large chamber sizes. Due to this, the proposed method is possible to obtain large parts.
В ходе экспериментов, проведенных нами, было установлено, что при реализации предложенного способа не происходит изменения формы, т.е. конечное изделие имеет практически такие же размеры и форму, как исходная заготовка или полуфабрикат. При необходимости получить более сложные формы может быть осуществлена дополнительная механическая обработка полуфабриката. Более удобно проводить такую обработку полуфабрикатов, которые термообрабатывались в среде углеводородов. Они обладают большей прочностью и могут быть обработаны, например, точением, сверлением, фрезерованием и др. During the experiments we conducted, it was found that when the proposed method is implemented, there is no change in shape, i.e. the final product has almost the same dimensions and shape as the original workpiece or semi-finished product. If necessary, to obtain more complex forms can be carried out additional mechanical processing of the semi-finished product. It is more convenient to carry out such processing of semi-finished products that are heat treated in a hydrocarbon environment. They are more durable and can be machined, for example, by turning, drilling, milling, etc.
За счет реализации технологических стадий, описанных выше, получают алмазосодержащий материал, содержащий алмаз, карбид кремния, а также соединения и сплавы металлов с кремнием и углеродом. Содержание металлов в конечном материале не превышает 30 мас.% (предпочтительнее - менее 20 мас.%) и ограничивается составом используемых составов и пористостью исходной заготовки. Для металлов из группы V, Nb, Та содержание их в материале - менее 10 мас. %. Для металлов из группы Mo и W содержание их в материале - менее 5 мас. %. Получить материалы с большим содержанием металлов не представляется возможным. Through the implementation of the technological steps described above, a diamond-containing material is obtained containing diamond, silicon carbide, as well as metal compounds and alloys with silicon and carbon. The metal content in the final material does not exceed 30 wt.% (More preferably less than 20 wt.%) And is limited by the composition of the compositions used and the porosity of the initial billet. For metals from the group V, Nb, Ta, their content in the material is less than 10 wt. % For metals from the Mo and W groups, their content in the material is less than 5 wt. % It is not possible to obtain materials with a high metal content.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем. The essence of the invention is as follows.
Полуфабрикат материала содержит в своем составе неалмазный углерод, осажденный в виде в среде газообразного углеводорода пироуглерода, или полученный за счет графитации алмаза, или внесенный на стадии формования заготовки в виде углеграфитового материала. При пропитке полуфабриката кремнийсодержащим расплавом, протекает химическая реакция взаимодействия углерода с расплавом. Способ осуществляют при условиях процесса и соотношениях между пористостью заготовки и количеством содержащегося в полуфабрикате графитоподобного углерода, обеспечивающих полное вступление неалмазного углерода в реакцию с расплавом. При этом происходит взаимодействие кремния с углеродом и образование кремния - одного из главных компонентов конечного материала. Кроме того, входящие в состав сплава химические элементы также могут взаимодействовать с углеродом или кремнием с образованием соответствующих карбидов или силицидов. The semi-finished product contains non-diamond carbon deposited in the form of pyrocarbon in the gaseous hydrocarbon medium, or obtained through diamond graphitization, or introduced at the stage of forming the blank in the form of carbon-graphite material. When a semi-finished product is impregnated with a silicon-containing melt, a chemical reaction of the interaction of carbon with the melt proceeds. The method is carried out under the process conditions and the relationship between the porosity of the preform and the amount of graphite-like carbon contained in the semi-finished product, which ensures the complete entry of non-diamond carbon into the reaction with the melt. In this case, the interaction of silicon with carbon and the formation of silicon - one of the main components of the final material. In addition, the chemical elements included in the alloy can also interact with carbon or silicon to form the corresponding carbides or silicides.
Применение сплавов обеспечивает упрощение процесса пропитки, связанное с более низкой температурой плавления сплавов, чем индивидуальных веществ, их лучшее смачивание поверхности полуфабриката и более интенсивное проникновение в поры полуфабриката. The use of alloys provides a simplification of the impregnation process associated with a lower melting temperature of alloys than individual substances, their better wetting of the surface of the semi-finished product and more intensive penetration into the pores of the semi-finished product.
В результате пропитки получают практически беспористый материал, состоящий из алмаза, карбида кремния и дополнительных фаз, состав которых определяется типом содержащихся в расплаве металлов. Такими дополнительными фазами могут быть силициды металлов (например, NiSi2) и/или карбиды металлов (например, TiC, NbC) и/или сплавы металлов (например Ag) с кремнием.As a result of the impregnation, a practically non-porous material is obtained consisting of diamond, silicon carbide and additional phases, the composition of which is determined by the type of metals contained in the melt. Such additional phases may be metal silicides (e.g., NiSi 2 ) and / or metal carbides (e.g., TiC, NbC) and / or metal alloys (e.g., Ag) with silicon.
Исследования, проведенные нами, показали, что для получения заявляемого материала целесообразно использовать сплавы кремния, содержащие, по крайней мере, один из металлов из группы, включающей Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Al. Важными особенностями, определяющими состав группы, являются следующие. Прежде всего, могут быть приготовлены сплавы кремния с указанными металлами, которые имеют температуру ликвидуса не выше 1500oC. Это обстоятельство важно, т.к. использование сплавов с большей температурой ликвидуса затруднительно: низкая температурная стабильность алмаза, его склонность к быстрой графитации, ограничивает применение высоких температур. Кроме того, указанные металлы обладают невысоким давлением паров при температурах 1200 - 1700oC, что делает сплавы кремния с ними более устойчивыми к сохранению состава (испарение металлов из сплава может изменять состав сплава и дестабилизировать процесс). Наконец, металлы из выбранной группы в предложенном способе способны формировать в материале дополнительные фазы с практически ценными свойствами. Такими фазами могут являться карбиды металлов, силициды металлов, сплавы металлов с кремнием.The studies conducted by us showed that, to obtain the claimed material, it is advisable to use silicon alloys containing at least one of the metals from the group including Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Al. The important features that determine the composition of the group are as follows. First of all, silicon alloys with the indicated metals can be prepared, which have a liquidus temperature of not higher than 1500 o C. This fact is important, because the use of alloys with a higher liquidus temperature is difficult: the low temperature stability of diamond, its tendency to rapid graphitization, limits the use of high temperatures. In addition, these metals have a low vapor pressure at temperatures of 1200 - 1700 o C, which makes silicon alloys with them more stable to preserve the composition (evaporation of metals from the alloy can change the composition of the alloy and destabilize the process). Finally, the metals from the selected group in the proposed method are able to form additional phases with practically valuable properties in the material. Such phases can be metal carbides, metal silicides, metal alloys with silicon.
Таким образом, в отличие от известного технического решения, материал дополнительно содержит силициды металлов и/или карбиды металлов и/или сплавы металлов с кремнием. Дополнительно содержащиеся фазы позволяют изменять свойства конечного материала для расширения областей его использования путем варьирования типа металла и его содержания в используемом сплаве. Thus, in contrast to the known technical solution, the material further comprises metal silicides and / or metal carbides and / or metal alloys with silicon. Additionally contained phases allow you to change the properties of the final material to expand its areas of use by varying the type of metal and its content in the alloy used.
Наилучшие результаты достигаются, если содержание металлов в сплаве, используемом для пропитки, следующее: Ti, Zr, Hf- менее 50 мас.%, V, Nb, Та - менее 20 мас.%, Cr и Re - менее 45 мас.%, Mo и W - менее 10 мас.%, Mn, Fe, Co, Ni - менее 60 мас.%. При выборе именно таких сплавов пропитка может быть осуществлена при температурах ниже 1700oC, что заметно упрощает процесс изготовления и предотвращает деструкцию алмазных зерен.The best results are achieved if the metal content in the alloy used for impregnation is as follows: Ti, Zr, Hf - less than 50 wt.%, V, Nb, Ta - less than 20 wt.%, Cr and Re - less than 45 wt.%, Mo and W - less than 10 wt.%, Mn, Fe, Co, Ni - less than 60 wt.%. When choosing just such alloys, the impregnation can be carried out at temperatures below 1700 o C, which greatly simplifies the manufacturing process and prevents the destruction of diamond grains.
Пример реализации способа:
Из алмазного микропорошка марки АСМ 28/20 (ГОСТ 9206-80) готовят шихту. Для этого к алмазному порошку добавляют связующее - 25%-ный спиртовый раствор фенолформальдегидной смолы марки СФ-010-А (ГОСТ 18094-80) в количестве 2 мас.% сухой смолы от массы алмазного порошка. Шихту тщательно перемешивают и дважды перетирают через сито с размером ячейки 0,25 мм.An example implementation of the method:
A charge is prepared from diamond micropowder of the АСМ 28/20 brand (GOST 9206-80). To do this, a binder is added to the diamond powder - a 25% alcohol solution of phenol-formaldehyde resin brand SF-010-A (GOST 18094-80) in an amount of 2 wt.% Dry resin by weight of the diamond powder. The mixture is thoroughly mixed and rubbed twice through a sieve with a mesh size of 0.25 mm
Формование образца диаметром 20 мм и высотой 2 мм осуществляют прессованием навесок шихты с использованием металлической прессформы. Навеску размещают в прессформе и формуют при комнатной температуре с усилием 40 кН. Далее формовку извлекают из формы и выдерживают на воздухе при комнатной температуре в течении 10 часов, а затем сушат при 70oC в течение 1 ч и отверждают при 150oC в течение 1 ч. Полученная таким образом заготовка содержит 98 мас.% алмаза и имеет пористость 47 об.%.The formation of the sample with a diameter of 20 mm and a height of 2 mm is carried out by pressing the batch of the charge using a metal mold. A portion is placed in the mold and molded at room temperature with a force of 40 kN. Next, the molding is removed from the mold and kept in air at room temperature for 10 hours, and then dried at 70 ° C for 1 hour and solidified at 150 ° C for 1 hour. The preform thus obtained contains 98% by weight of diamond and has a porosity of 47 vol.%.
Термообработку заготовки проводят в вакууме (давление - 0,1 мм рт.ст.) при температуре 1550oC в течение 4 мин. Указанные условия термообработки позволяют графитизировать алмазные частицы на 14 мас.%.Heat treatment of the workpiece is carried out in vacuum (pressure - 0.1 mm Hg) at a temperature of 1550 o C for 4 minutes The specified heat treatment conditions allow graphitization of diamond particles by 14 wt.%.
Пропитку полуфабриката осуществляют сплавом кремний - титан, содержащим 12 мас. % титана. Пропитку выполняют расплавлением указанного сплава на поверхности полуфабриката при 1550oC.The semi-finished product is impregnated with a silicon-titanium alloy containing 12 wt. % titanium. Impregnation is performed by melting the specified alloy on the surface of the semi-finished product at 1550 o C.
В результате получают изделие в виде таблетки диаметром 20 мм и высотой 2 мм из алмазосодержащего материала, в котором зерна алмаза связаны матрицей, содержащей карбид кремния, карбид титана и сплав кремний - титан (силицид титана). The result is a product in the form of a tablet with a diameter of 20 mm and a height of 2 mm from a diamond-containing material in which diamond grains are connected by a matrix containing silicon carbide, titanium carbide and a silicon-titanium alloy (titanium silicide).
Сравнительные испытания образцов на изнашивание обработкой их алмазным кругом АЧК-150х20х32 без СОЖ показали, что полученные образцы имеют износостойкость практически равную износостойкости аналогично полученных образцов, но для пропитки которых использован чистый кремний (по известному техническому решению). Прочность на изгиб полученного материала, измеренная методом биаксиального изгиба, на 15-20% выше известного материала, не содержащего соединений титана. Comparative tests of the samples for wear by processing them with an AChK-150x20x32 diamond wheel without coolant showed that the obtained samples have wear resistance almost equal to the wear resistance of the samples obtained, but pure silicon was used to impregnate them (according to the known technical solution). The bending strength of the obtained material, measured by the method of biaxial bending, is 15-20% higher than the known material that does not contain titanium compounds.
Таким образом, реализация заявляемого способа позволяет относительно просто получать алмазосодержащие материалы в виде деталей сложных форм и больших габаритов. Использование сплавов кремния обеспечивает интенсификацию процесса пропитки полуфабриката. При этом, за счет введения в состав материала дополнительно других соединений, образованных в процессе реализации способа, полученные материалы имеют более широкую область использования за счет возможности выбора составов для оптимальной эрозионной и абразивной устойчивости. Кроме того, наличие в материале адгезионно-активных металлов облегчает их пайку при изготовлении инструмента. Thus, the implementation of the proposed method makes it relatively simple to obtain diamond-containing materials in the form of parts of complex shapes and large dimensions. The use of silicon alloys provides the intensification of the process of impregnation of the semi-finished product. At the same time, due to the introduction of additionally other compounds formed during the implementation of the method into the composition of the material, the obtained materials have a wider field of use due to the possibility of choosing compositions for optimal erosion and abrasion resistance. In addition, the presence of adhesive-active metals in the material facilitates their soldering in the manufacture of the tool.
Литература:
1. В. П.Поляков, А.В. Ножкина, Н.В.Чириков. Алмазы и сверхтвердые материалы, М., Металлургия, 1990, 327с.Literature:
1. V.P. Polyakov, A.V. Nozhkina, N.V. Chirikov. Diamonds and superhard materials, M., Metallurgy, 1990, 327s.
2. Пат. 2036779 РФ, В 24 D 18/00, 1995. 2. Pat. 2036779 RF, B 24 D 18/00, 1995.
Claims (10)
Priority Applications (19)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99100821/02A RU2151814C1 (en) | 1999-01-26 | 1999-01-26 | Method of preparing diamond-containing material and material prepared by this method |
| CA002342986A CA2342986C (en) | 1998-09-28 | 1999-03-04 | Method of manufacturing a diamond composite and a composite produced by same |
| JP2000572168A JP4275862B2 (en) | 1998-09-28 | 1999-03-04 | Diamond composite manufacturing method |
| IL14172599A IL141725A (en) | 1998-09-28 | 1999-03-04 | Method of manufacturing a diamond composite and a composite produced by same |
| EA200100263A EA003715B1 (en) | 1998-09-28 | 1999-03-04 | Method of manufacturing a diamond composite and a composite produced by same |
| ES99920579T ES2182517T3 (en) | 1998-09-28 | 1999-03-04 | METHOD OF MANUFACTURE OF A DIAMOND COMPOUND AND COMPOUND PUT DUE TO THIS PROCEDURE. |
| AU38116/99A AU759804B2 (en) | 1998-09-28 | 1999-03-04 | Method of manufacturing a diamond composite and a composite produced by same |
| CNB998114642A CN100349825C (en) | 1998-09-28 | 1999-03-04 | Method of manufacturing a diamond composite and a composite produced by same |
| DE69901723T DE69901723T2 (en) | 1998-09-28 | 1999-03-04 | METHOD FOR PRODUCING A DIAMOND COMPOSITE AND A COMPOSITE PRODUCED BY THE SAME |
| KR1020017003989A KR100638228B1 (en) | 1998-09-28 | 1999-03-04 | Method of manufacturing diamond composite and a composite produced by same |
| PL99364804A PL364804A1 (en) | 1998-09-28 | 1999-03-04 | Method of manufacturing a diamond composite and a composite produced by same |
| AT99920579T ATE218520T1 (en) | 1998-09-28 | 1999-03-04 | METHOD FOR PRODUCING A DIAMOND COMPOSITE AND A COMPOSITE PRODUCED BY THE SAME |
| BRPI9914094-2A BR9914094B1 (en) | 1998-09-28 | 1999-03-04 | low pressure process for the manufacture of a diamond composite from diamond particles, and a diamond composite produced by the same. |
| EP99920579A EP1117625B1 (en) | 1998-09-28 | 1999-03-04 | Method of manufacturing a diamond composite and a composite produced by same |
| PCT/EP1999/001420 WO2000018702A1 (en) | 1998-09-28 | 1999-03-04 | Method of manufacturing a diamond composite and a composite produced by same |
| US09/748,308 US6709747B1 (en) | 1998-09-28 | 2000-12-21 | Method of manufacturing a diamond composite and a composite produced by same |
| HK02101445.7A HK1039929B (en) | 1998-09-28 | 2002-02-26 | Method of manufacturing a diamond composite and a composite produced by same |
| US10/737,590 US7008672B2 (en) | 1998-09-28 | 2003-12-15 | Method of manufacturing a diamond composite and a composite produced by same |
| JP2008068056A JP5096195B2 (en) | 1998-09-28 | 2008-03-17 | Diamond composite |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99100821/02A RU2151814C1 (en) | 1999-01-26 | 1999-01-26 | Method of preparing diamond-containing material and material prepared by this method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2151814C1 true RU2151814C1 (en) | 2000-06-27 |
Family
ID=20214704
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99100821/02A RU2151814C1 (en) | 1998-09-28 | 1999-01-26 | Method of preparing diamond-containing material and material prepared by this method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2151814C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7008672B2 (en) | 1998-09-28 | 2006-03-07 | Skeleton Technologies Ag | Method of manufacturing a diamond composite and a composite produced by same |
| RU2446870C1 (en) * | 2011-02-14 | 2012-04-10 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Method of producing diamond composite material |
| RU2448827C2 (en) * | 2007-11-08 | 2012-04-27 | Альфа Лаваль Корпорейт Аб | Diamond-metallic composite material |
-
1999
- 1999-01-26 RU RU99100821/02A patent/RU2151814C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7008672B2 (en) | 1998-09-28 | 2006-03-07 | Skeleton Technologies Ag | Method of manufacturing a diamond composite and a composite produced by same |
| RU2448827C2 (en) * | 2007-11-08 | 2012-04-27 | Альфа Лаваль Корпорейт Аб | Diamond-metallic composite material |
| RU2446870C1 (en) * | 2011-02-14 | 2012-04-10 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Method of producing diamond composite material |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7008672B2 (en) | Method of manufacturing a diamond composite and a composite produced by same | |
| CA2301775C (en) | Method of manufacturing a diamond-silicon carbide-silicon composite and a composite produced by this method | |
| KR100348772B1 (en) | Pressureless Sintering Method of Whisker Reinforced Alumina Composite | |
| US6447852B1 (en) | Method of manufacturing a diamond composite and a composite produced by same | |
| CA2342986C (en) | Method of manufacturing a diamond composite and a composite produced by same | |
| US4403015A (en) | Compound sintered compact for use in a tool and the method for producing the same | |
| EP0699642A2 (en) | Whisker or fiber reinforced polycrystalline cubic boron nitride and diamond | |
| JPS6344712B2 (en) | ||
| FR2715929A1 (en) | Polycrystalline cubic boron nitride sintered compact mfr | |
| KR20030048005A (en) | Method of producing an abrasive product containing diamond | |
| US4381271A (en) | Use of fired fibrous graphite in fabricating polycrystalline diamond and/or cubic boron nitride/silicon carbide/silicon composite bodies | |
| EA001843B1 (en) | A method for producing abrasive grains and the abrasive grains produced by this method | |
| JPH08109431A (en) | Diamond sintered compact containing hard alloy as binding material and its production | |
| RU2151814C1 (en) | Method of preparing diamond-containing material and material prepared by this method | |
| RU2147982C1 (en) | Method of preparing diamond-containing material | |
| GB2058840A (en) | Production of polycrystalline cubic boron nitride | |
| RU2060933C1 (en) | Method for production of polycrystalline diamond having predetermined shape | |
| JPS6022680B2 (en) | Composite sintered body for tools and its manufacturing method | |
| RU2147509C1 (en) | Method for making abrasive article and abrasive article made by such method | |
| RU2147508C1 (en) | Method of abrasive article production and abrasive article produced | |
| JPH0421568A (en) | Fine crystalline sintered compact with high hardness and production thereof | |
| RU2151126C1 (en) | Constructional material | |
| RU2130441C1 (en) | Method of manufacturing refractory composite product | |
| IL161555A (en) | Method of manufacturing a diamond-silicon carbide-silicon composite and a composite produced by this method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20060127 |