RU2576745C1 - COMPOSITE NANOSTRUCTURED MATERIAL BASED ON cBN AND PREPARATION METHOD THEREOF - Google Patents

Abstract

FIELD: ceramic industry.

SUBSTANCE: invention relates to engineering ceramics, particularly, to a wear resistant composite nanostructurized material based on cubic Boron Nitride (cBN) containing phase silicon nitride (Si₃N₄) and aluminium oxide (Al₂O₃) intended for use in cutting tools used for treatment of hardened steel with hardness up to 65 HRC and iron, as well as a method of producing said material. Disclosed is a wear-resistant composite nanostructurized material based on cubic boron nitride with matrix of Silicon (Si₃N₄) and aluminium oxide (Al₂O₃), containing component in the form of nano-sized phase of aluminium nitride (AIN), hardening matrix and the boundary between grains of boron nitride and matrix at volume ratio of components: cBN-49-52 %; matrix phase-42-45 %; nanosize phase AIN-4-6 %. Said material may have a coating composition Al_XTi_(1-X)N, where x = 0.55÷0.65 applied by physical vapour deposition. For creation of material with specified characteristics of the proposed method comprises mixing initial cubic Boron Nitride, aluminium oxide, Silicon nitride and sintering the obtained mixture under high pressure and high temperature (HPHT), wherein the process of sintering material is carried out at 1,450-1,550 °C and pressure in the range 3.5-3.9 GPa during 20 c. for production of microstructure consisting of a nanosized phase of aluminium nitride , sintering process is carried out in the presence of aluminium in gas phase.

EFFECT: is used in cutting tools used for treatment of hardened steel with hardness up to 65 HRC and iron, as well as a method of producing said material.

5 cl, 1 tbl, 2 dwg, 11 ex

Description

Изобретение относится к области технической керамики, в частности, к износостойкому композиционному наноструктурированному материалу (далее материалу) на основе кубического нитрида бора (cBN), содержащему фазы нитрида кремния (Si₃N₄) и оксида алюминия (Al₂O₃), предназначенному для применения в режущих инструментах, используемых для обработки закаленных сталей с твердостью до 65 HRC, жаропрочных сплавов на никелевой основе, серых и отбеленных чугунов, а также для изготовления износостойких конструкционных деталей.The invention relates to the field of technical ceramics, in particular, to a wear-resistant composite nanostructured material (hereinafter material) based on cubic boron nitride (cBN) containing phases of silicon nitride (Si ₃ N ₄ ) and aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ), intended for Applications in cutting tools used for machining hardened steels with hardness up to 65 HRC, heat-resistant nickel-based alloys, gray and bleached cast irons, as well as for the manufacture of wear-resistant structural parts.

Известно, что режущие инструменты из композиционных материалов на основе поликристаллического кубического нитрида бора обладают уникальным сочетанием свойств, таких как высокие показатели твердости, прочности, теплостойкости, износостойкости, коррозионной стойкости, - стойкости к кратерному и химическому износу, низкое химическое сродство к металлам группы железа и низкий коэффициент трения. Благодаря этим свойствам они широко используются для обработки закаленных сталей, чугуна и других материалов с высокой твердостью в условиях чистовой, получистовой обработки [1], [2].It is known that cutting tools made of composite materials based on polycrystalline cubic boron nitride have a unique combination of properties, such as high hardness, strength, heat resistance, wear resistance, corrosion resistance, resistance to crater and chemical wear, low chemical affinity for metals of the iron group and low coefficient of friction. Due to these properties, they are widely used for the treatment of hardened steels, cast iron and other materials with high hardness in the conditions of finishing, semi-finishing [1], [2].

Для получистовой и чистовой обработки закаленных сталей и чугуна обычно используют режущие пластины с содержанием кубического нитрида бора (cBN) 75-80 об. % [3], [4].For semi-finishing and finishing of hardened steels and cast iron, cutting inserts with a content of cubic boron nitride (cBN) of 75-80 vol. Are usually used. % [3], [4].

Развитие композиционных материалов на основе нитрида бора следует общей тенденции снижения содержания дорогостоящего компонента cBN за счет введения других керамических компонентов без ухудшения режущих свойств для выбранной группы обрабатываемых материалов. Одной из существующих проблем является сложный и энергоемкий способ получения спеченных материалов на основе cBN, требующий, как правило, применения давления выше 4 ГПа при спекании и, соответственно, дорогостоящей твердосплавной оснастки, а также крупнотоннажных гидравлических прессов.The development of composite materials based on boron nitride follows the general tendency to reduce the content of the expensive cBN component due to the introduction of other ceramic components without compromising the cutting properties for the selected group of processed materials. One of the existing problems is a complex and energy-intensive method for producing sintered materials based on cBN, which requires, as a rule, the use of pressures above 4 GPa during sintering and, accordingly, expensive carbide tooling, as well as large-capacity hydraulic presses.

В материалах состава cBN-Si₃N₄-Al₂O₃, представляющих собой зерна cBN, связанные матрицей из Si₃N₄ и Al₂O₃, нитрид кремния увеличивает термостойкость материала, не снижая уровня его трещиностойкости, и повышает стойкость к диффузионному износу при обработке жаропрочных сплавов, а оксид алюминия сохраняет прочностные характеристики и повышает эффект износостойкости. Такие материалы используются для получения режущего инструмента для чистовой и получистовой обработки чугунов и закаленных сталей с твердостью до 65 HRC, а также для обработки жаропрочных сплавов.In materials of the cBN-Si ₃ N ₄ -Al ₂ O ₃ composition, which are cBN grains bound by a matrix of Si ₃ N ₄ and Al ₂ O ₃ , silicon nitride increases the heat resistance of the material without decreasing its crack resistance and increases the diffusion resistance wear during processing of heat-resistant alloys, and aluminum oxide retains strength characteristics and increases the effect of wear resistance. Such materials are used to produce cutting tools for finishing and semi-finishing of cast irons and hardened steels with hardness up to 65 HRC, as well as for processing heat-resistant alloys.

Свойства керамических композитов, в том числе композитов на основе кубического нитрида бора, во многом определяются однородностью распределения компонентов в микроструктуре. Особые преимущества дает формирование микроструктур, содержащих наноразмерные частицы, которые могут быть расположены внутри и/или по границам более крупных зерен другой фазы [5]. Такие микроструктуры позволяют дополнительно упрочнить зерна (US 2009247390 (A1), C04B 35/482) [6] и межфазные границы, что повышает износостойкость материала, в частности стойкость к кратерному износу. Получение наноструктурированных композитов может быть достигнуто за счет образования наночастиц в материале способом «in situ» при взаимодействии одного или нескольких компонентов с газовой фазой. При формировании наноструктур в композитах важную роль играют технологические параметры процесса спекания, такие как давление, температура, скорость нагрева и длительность цикла. В случае композитов на основе нитрида бора оптимальное сочетание параметров способствует формированию однородных микроструктур, содержащих наноразмерные фазы, и снижает вероятность фазового перехода кубического нитрида бора в гексагональный.The properties of ceramic composites, including composites based on cubic boron nitride, are largely determined by the uniform distribution of components in the microstructure. Particular advantages are provided by the formation of microstructures containing nanosized particles that can be located inside and / or along the boundaries of larger grains of another phase [5]. Such microstructures allow additional hardening of grains (US 2009247390 (A1), C04B 35/482) [6] and interfacial boundaries, which increases the wear resistance of the material, in particular resistance to crater wear. The preparation of nanostructured composites can be achieved by the formation of nanoparticles in the material by the in situ method during the interaction of one or more components with the gas phase. In the formation of nanostructures in composites, an important role is played by the technological parameters of the sintering process, such as pressure, temperature, heating rate, and cycle time. In the case of composites based on boron nitride, the optimal combination of parameters promotes the formation of homogeneous microstructures containing nanoscale phases and reduces the likelihood of a phase transition of cubic boron nitride to hexagonal.

Известны материалы, в которых содержится 30-90 об. % кубического нитрида бора и от 70 до 10 об. % порошка связки, состоящей из TiCN, Si₃N₄, Al₂O₃, и Cr_xN (US 2001036893 (A1), C04B 35/583; C04B 35/5831) [7]. Режущие пластины из этого материала предназначены специально для токарной обработки высокосортного чугуна, такого как нирезист и изотермически закаленный чугун, однако не предназначены для резания закаленных сталей и жаропрочных сплавов. Цели упомянутой разработки достигаются обеспечением материала, имеющего сложную многокомпонентную матрицу, которая может быть сформирована в виде однослойного или многослойного покрытия. Недостатками способа являются: многокомпонентность исходных составов, сложность технологии, спекание под давлением 4-7 ГПа (что требует дорогостоящей твердосплавной оснастки, наличия мощных гидравлических прессов), а также большая длительность спекания (от 20 до 90 мин) и, соответственно, низкая производительность. Указанные факторы обусловливают значительные энергозатраты при осуществлении технологического процесса.Known materials that contain 30-90 vol. % cubic boron nitride and from 70 to 10 vol. % powder of a binder consisting of TiCN, Si ₃ N ₄ , Al ₂ O ₃ , and Cr _x N (US 2001036893 (A1), C04B 35/583; C04B 35/5831) [7]. Cutting inserts made of this material are specially designed for turning high-grade cast iron, such as niresist and isothermally hardened cast iron, but are not intended for cutting hardened steels and heat-resistant alloys. The objectives of the aforementioned development are achieved by providing a material having a complex multicomponent matrix, which can be formed in the form of a single-layer or multi-layer coating. The disadvantages of the method are: the multicomponent composition of the starting compounds, the complexity of the technology, sintering under pressure of 4-7 GPa (which requires expensive carbide tools, the presence of powerful hydraulic presses), as well as a long sintering time (from 20 to 90 minutes) and, accordingly, low productivity. These factors cause significant energy consumption during the implementation of the process.

Известны композиты системы cBN-Al₂O₃-Si₃N₄ с содержанием cBN от ~10 до ~20 мас. %; Al₂O₃ от ~40 до ~80 мас. %; Si₃N₄ от ~10 до ~50 мас. % и добавки до 5 мас. %, выбранной из оксидов лантаноидов, иттрия или скандия (US 2010069224 (A1), C04B 35/5831) [8]. Недостатком материала является низкое содержание сверхтвердой компоненты, что не позволяет обрабатывать закаленные стали с твердостью до 65 HRC и отбеленные чугуны. Режущий инструмент из этих материалов применяется для механической обработки менее твердых материалов, таких как ковкий чугун и графитсодержащий чугун. Недостатками способа является применение давления выше 4 ГПа и повышенная длительность цикла спекания (30 мин). Введение нитевидных кристаллов карбида кремния в одном из вариантов способа дополнительно усложняет процесс.Composites of the cBN-Al ₂ O ₃ -Si ₃ N _{4 system} with a cBN content of ~ 10 to ~ 20 wt. %; Al ₂ O ₃ from ~ 40 to ~ 80 wt. %; Si ₃ N ₄ from ~ 10 to ~ 50 wt. % and additives up to 5 wt. % selected from oxides of lanthanides, yttrium or scandium (US 2010069224 (A1), C04B 35/5831) [8]. The disadvantage of the material is the low content of superhard components, which does not allow to treat hardened steels with a hardness of up to 65 HRC and bleached cast irons. Cutting tools made of these materials are used for machining less hard materials such as malleable cast iron and graphite-containing cast iron. The disadvantages of the method is the use of pressure above 4 GPa and an increased duration of the sintering cycle (30 min). The introduction of silicon carbide whiskers in one embodiment of the method further complicates the process.

Наиболее близким к настоящему изобретению является техническое решение по заявке JPS 5861256 (A) (C04B 35/58; C04B 35/583; C22C 29/16) [9], относящееся к материалу на основе нитрида бора с матрицей из Al₂O₃ и S₃N₄ и применением металлического покрытия толщиной 0,1 -1 мкм, состоящего из Al и/или Si на зернах нитрида бора в качестве компонента, упрочняющего границы между этими зернами и матрицей. Материал содержит 40-90 об. % cBN, 2-25 мас. % Al и/или Si, 2-30 мас. % Al₂O₃ и 2-30 мас. % Si₃N₄. Возможна частичная замена кубического нитрида бора на вюртцитный нитрид бора (wBN) и добавка 0,5-10 мас. %. Ni, Al, Co, Si и Cr. Согласно описанию примеров, кубический нитрид бора представлен частицами со средним размером 2-4 мкм; оксид алюминия, нитрид кремния, Ni, Al, Co, Si и Cr имеют размер частиц 2 мкм.The closest to the present invention is a technical solution for application JPS 5861256 (A) (C04B 35/58; C04B 35/583; C22C 29/16) [ 9], referring to a material based on boron nitride with a matrix of Al ₂ O ₃ and S ₃ N ₄ and the use of a metal coating with a thickness of 0.1 -1 μm, consisting of Al and / or Si on the grains of boron nitride as a component, strengthening the boundaries between these grains and the matrix. The material contains 40-90 vol. % cBN, 2-25 wt. % Al and / or Si, 2-30 wt. % Al ₂ O ₃ and 2-30 wt. % Si ₃ N ₄ . Partial replacement of cubic boron nitride by wurtzitic boron nitride (wBN) and the addition of 0.5-10 wt. % Ni, Al, Co, Si and Cr. According to the description of the examples, cubic boron nitride is represented by particles with an average size of 2-4 microns; alumina, silicon nitride, Ni, Al, Co, Si and Cr have a particle size of 2 μm.

Для получения материала по указанному изобретению предварительно производили операции смешения всех компонентов с применением операции предварительного нанесения на зерна BN покрытия из Al и/или Si методами физического или химического газофазного осаждения. В некоторых вариантах способа компоненты матрицы из оксида алюминия и/или нитрида кремния могут быть также нанесены в виде дополнительного покрытия на зерна нитрида бора теми же методами. Заготовку в виде порошка или неспеченной прессовки помещают в металлический контейнер и дегазируют в вакууме. Для спекания используют метод высоких давлений и высоких температур (НРНТ) при давлении 4-7 ГПа в температурном диапазоне от 1200 до 1600°C, длительность цикла - от нескольких до 10 мин.To obtain the material according to the invention, the operations of mixing all the components were preliminarily performed using the preliminary deposition of Al and / or Si coatings on BN grains by physical or chemical vapor deposition methods. In some embodiments of the method, the matrix components of alumina and / or silicon nitride can also be applied as an additional coating on the grains of boron nitride by the same methods. A blank in the form of a powder or green sintered compact is placed in a metal container and degassed in a vacuum. For sintering, the method of high pressures and high temperatures (NRNT) is used at a pressure of 4-7 GPa in the temperature range from 1200 to 1600 ° C, the cycle duration is from several to 10 minutes.

Недостатками материала прототипа является наличие легкоплавкой металлической фазы Al и/или Si в микроструктуре материала, что уменьшает его прочность при повышенных температурах, возникающих в условиях резания. При этом из-за размягчения металлического покрытия на зернах нитрида бора стойкость материала к кратерному износу снижается. Кроме того, частичная замена кубического нитрида бора на вюртцитный в некоторых вариантах способа повышает стоимость готового режущего инструмента.The disadvantages of the material of the prototype is the presence of a low-melting metal phase of Al and / or Si in the microstructure of the material, which reduces its strength at elevated temperatures that occur under cutting conditions. In this case, due to the softening of the metal coating on boron nitride grains, the resistance of the material to crater wear is reduced. In addition, the partial replacement of cubic boron nitride by wurtzitic in some variants of the method increases the cost of the finished cutting tool.

Основными недостатками способа получения материала прототипа является необходимость воздействия давления 4-7 ГПа в процессе спекания, что требует дорогостоящей твердосплавной оснастки и эксплуатации крупнотоннажных гидравлических прессов и повышает энергозатраты. Длительный цикл спекания также повышает энергозатраты, снижает производительность, усложняет процесс и, как правило, приводит к росту зерна компонентов материала, не позволяющему осуществить дополнительное упрочнение микроструктуры материала за счет присутствия наноразмерной фазы. Кроме того, недостатком способа является использование предварительной высокотемпературной стадии нанесения покрытия на зерна нитрида бора, что повышает стоимость материала и дополнительно усложняет процесс. К недостаткам способа также можно отнести необходимость дегазации в вакууме собранных контейнеров и их герметизации, что снижает технологичность производства, требует дополнительного вакуумного оборудования и тем самым удорожает процесс.The main disadvantages of the method of obtaining the material of the prototype is the need for exposure to pressure of 4-7 GPa in the sintering process, which requires expensive carbide tooling and operation of large-capacity hydraulic presses and increases energy costs. A long sintering cycle also increases energy consumption, reduces productivity, complicates the process and, as a rule, leads to a grain growth of the material components, which does not allow additional hardening of the material microstructure due to the presence of a nanoscale phase. In addition, the disadvantage of this method is the use of a preliminary high-temperature stage of coating on grains of boron nitride, which increases the cost of the material and further complicates the process. The disadvantages of the method can also include the need for degassing in vacuum the collected containers and their sealing, which reduces the manufacturability of production, requires additional vacuum equipment and thereby increases the cost of the process.

Задачей настоящего изобретения является создание композиционного наноструктурированного материала на основе нитрида бора, обладающего высокими показателями физико-механических свойств и износостойкости, предназначенному для изготовления режущих инструментов с пониженной стоимостью и достаточно высоким сроком службы, а также расширенными возможностями применения, в том числе для обработки закаленных сталей с твердостью до 65 HRC, серых и отбеленных чугунов, жаропрочных сплавов для операций чистовой и получистовой обработки, изготовленного способом, отличающимся экономичностью, пониженной энергоемкостью, повышенной производительностью, пригодным для массового производства изделий, при котором обеспечивается получение однородной микроструктуры, содержащей наноразмерные частицы.The objective of the present invention is to provide a composite nanostructured material based on boron nitride with high physical and mechanical properties and wear resistance, intended for the manufacture of cutting tools with a low cost and a sufficiently high service life, as well as advanced applications, including for the treatment of hardened steels with hardness up to 65 HRC, gray and bleached cast irons, heat-resistant alloys for finishing and semi-finishing operations, manufactured This method is characterized by efficiency, reduced energy intensity, increased productivity, suitable for mass production of products, which provides a homogeneous microstructure containing nanosized particles.

Указанная задача решается путем создания износостойкого композиционного наноструктурированного материала на основе кубического нитрида бора с матрицей из нитрида кремния (Si₃N₄) и оксида алюминия (Al₂O₃), содержащего компонент, упрочняющий границы между зернами нитрида бора и матрицей, в котором упрочняющий компонент представлен наноразмерной фазой нитрида алюминия (AlN), при объемном содержании компонентов, %: cBN - 49-52; матричная фаза - 42-45; наноразмерная фаза AlN - 4-6. Указанный материал может иметь покрытие состава Al_xTi_(1-X)N, где x=0,55÷0,65, нанесенное методом физического газофазного осаждения (ФГО).This problem is solved by creating a wear-resistant composite nanostructured material based on cubic boron nitride, silicon nitride matrix (Si ₃ N ₄₎ and aluminum oxide (Al ₂ O ₃₎ containing the component, the reinforcing grain boundaries boron nitride and the matrix, wherein the reinforcing the component is represented by the nanoscale phase of aluminum nitride (AlN), with a volume content of components,%: cBN - 49-52; matrix phase - 42-45; nanoscale phase AlN - 4-6. The specified material may have a coating composition Al _x Ti _(1-X) N, where x = 0.55 ÷ 0.65, deposited by physical gas phase deposition (PF).

Для создания материала с указанными характеристиками предложен способ получения, включающий стадии смешивания исходных порошков кубического нитрида бора, оксида алюминия, нитрида кремния и спекания полученной смеси в условиях высоких давлений и высоких температур (НРНТ), при котором процесс спекания материала осуществляют при температуре от 1450 до 1550°C и давлении в диапазоне 3,5-3,9 ГПа в течение 20 с. Порошки кубического нитрида бора, оксида алюминия и нитрида кремния смешивают при следующем объемном соотношении, об. %: cBN - 49-52; Si₃N₄ - 8-40; Al₂O₃ - остальное. Для получения микроструктуры, включающей наноразмерную фазу из нитрида алюминия, процесс спекания также осуществляют в присутствии алюминия в газовой фазе. При этом наноразмерные частицы нитрида алюминия образуются в микроструктуре «in situ», упрочняя матрицу и границы матрицы и зерен кубического нитрида бора.To create a material with the indicated characteristics, a production method is proposed that includes the steps of mixing the initial powders of cubic boron nitride, alumina, silicon nitride and sintering the resulting mixture at high pressures and high temperatures (NRHT), in which the sintering process of the material is carried out at a temperature of from 1450 1550 ° C and pressure in the range of 3.5-3.9 GPa for 20 s. Powders of cubic boron nitride, aluminum oxide and silicon nitride are mixed in the following volume ratio, vol. %: cBN - 49-52; Si ₃ N ₄ - 8-40; Al ₂ O ₃ - the rest. To obtain a microstructure including a nanoscale phase from aluminum nitride, the sintering process is also carried out in the presence of aluminum in the gas phase. In this case, nanosized particles of aluminum nitride are formed in the in situ microstructure, strengthening the matrix and the boundaries of the matrix and grains of cubic boron nitride.

В предлагаемом материале на основе кубического нитрида бора, содержащего матрицу из оксида алюминия и нитрида кремния и наноразмерную фазу из нитрида алюминия, технический эффект достигается за счет сбалансированного состава и особой микроструктуры, при которой зерна и межфазовые границы cBN/матрица упрочнены наноразмерными частицами AlN, а также за счет однородного распределения компонентов. Указанное позволяет получить высокий уровень механических свойств материала, в том числе при повышенных температурах, развивающихся при резании с высокими скоростями, а также высокий уровень износостойкости, в частности стойкости к кратерному износу при резании закаленных сталей, серых и отбеленных чугунов и жаропрочных сплавов.In the proposed material based on cubic boron nitride containing a matrix of aluminum oxide and silicon nitride and a nanoscale phase of aluminum nitride, the technical effect is achieved due to the balanced composition and special microstructure, in which the grains and interfaces of the cBN / matrix are strengthened by nanosized AlN particles, and also due to the uniform distribution of components. This allows you to get a high level of mechanical properties of the material, including at elevated temperatures that develop when cutting at high speeds, as well as a high level of wear resistance, in particular resistance to crater wear when cutting hardened steels, gray and bleached cast irons and heat-resistant alloys.

Покрытие состава Al_XTi_(1-X)N на поверхности материала позволяет дополнительно повысить износостойкость и ресурс работы режущей пластины. В процессе проведенных испытаний выявлено, что при резании на контактных поверхностях инструмента без покрытия имеет место массоперенос, связанный с налипанием обрабатываемого материала. На рабочих поверхностях инструментов с защитными покрытиями адгезионное взаимодействие на контактных участках инструмент-стружка минимизировано за счет уменьшения силы трения, что приводит к снижению температуры рабочей поверхности и, следовательно, к уменьшению скорости диффузионного изнашивания. Кроме того, защитный слой препятствует диффузии и уменьшает схватывание материалов инструмента и стружки.Coating the composition of Al _X Ti _(1-X) N on the surface of the material can further increase the wear resistance and life of the insert. During the tests, it was found that when cutting on the contact surfaces of the tool without coating there is mass transfer associated with the sticking of the processed material. On the working surfaces of tools with protective coatings, the adhesive interaction on the contact areas of the tool-chip is minimized by reducing the friction force, which leads to a decrease in the temperature of the working surface and, therefore, to a decrease in the rate of diffusion wear. In addition, the protective layer prevents diffusion and reduces the setting of tool materials and chips.

Технический эффект достигается предложенным способом получения материала, при котором во время спекания материала в присутствии алюминия в газовой фазе в микроструктуре материала образуется «in situ» наноразмерная фаза AlN, что позволяет получить материал с высокими характеристиками в соответствии с поставленными задачами при более низких давлениях по сравнению с прототипом, при значительном упрощении процесса за счет: использования более простого и менее энергоемкого оборудования, стальной оснастки вместо дорогостоящей твердосплавной, исключения дополнительных стадий, таких как дегазация оснастки и нанесение покрытия на частицы исходного порошка. Способ отличается также очень малой длительностью стадии спекания, что повышает производительность процесса. Все указанные факторы обеспечивают значительное снижение энергозатрат и пригодность этого способа для массового производства изделий.The technical effect is achieved by the proposed method for producing the material, in which during the sintering of the material in the presence of aluminum in the gas phase in the microstructure of the material an “in situ” AlN nanoscale phase is formed, which allows to obtain a material with high characteristics in accordance with the tasks at lower pressures compared with a prototype, with a significant simplification of the process due to: the use of simpler and less energy-intensive equipment, steel tooling instead of expensive carbide , Eliminating any extra steps such as degassing equipment and coating of the starting powder particles. The method is also characterized by a very short duration of the sintering stage, which increases the productivity of the process. All these factors provide a significant reduction in energy consumption and the suitability of this method for mass production of products.

Наличие наноразмерных частиц AlN упрочняет матрицу и границы между матрицей и зернами кубического нитрида бора, повышает износостойкость материала, в том числе стойкость к кратерному износу. При отсутствии наноразмерной фазы AlN не удается обеспечить припекание матричной фазы к зернам кубического нитрида бора и, следовательно, необходимую прочность материала. При содержании наноразмерных частиц AlN менее 4 об. % упрочняющий эффект недостаточен, следствием чего является повышенный износ инструмента при резании стали и чугуна.The presence of nanosized AlN particles strengthens the matrix and the boundaries between the matrix and grains of cubic boron nitride, increases the wear resistance of the material, including resistance to crater wear. In the absence of a nanoscale phase AlN, it is not possible to ensure the baking of the matrix phase to the grains of cubic boron nitride and, therefore, the necessary strength of the material. When the content of nanosized AlN particles is less than 4 vol. % the reinforcing effect is insufficient, resulting in increased tool wear when cutting steel and cast iron.

Поскольку образование наноразмерных частиц AlN происходит за счет взаимодействия нитрида кремния с алюминием, присутствующем в газовой фазе, содержание матричной фазы уменьшается. При содержании наноразмерных частиц нитрида алюминия более 6 об. % происходит разрыхление матрицы и недостаточное связывание зерен кубического нитрида бора, что также приводит к повышенному износу инструмента при резании стали и чугуна.Since the formation of nanosized AlN particles occurs due to the interaction of silicon nitride with aluminum present in the gas phase, the content of the matrix phase decreases. When the content of nanosized particles of aluminum nitride is more than 6 vol. % there is a loosening of the matrix and insufficient bonding of grains of cubic boron nitride, which also leads to increased wear of the tool when cutting steel and cast iron.

При объемном содержании кубического нитрида бора ниже 49% режущие свойства инструмента резко снижаются из-за низкого содержания сверхтвердой компоненты. При содержании cBN выше 52 об. % материал отличается пониженным содержанием матричной фазы, что снижает его стойкость к диффузионному износу и снижает работоспособность материала при резании жаропрочных сплавов. Кроме того, повышение содержания кубического нитрида способствует удорожанию материала, что противоречит целям настоящего изобретения.When the volumetric content of cubic boron nitride is below 49%, the cutting properties of the tool are sharply reduced due to the low content of superhard component. When the content of cBN is above 52 vol. % the material is characterized by a reduced content of the matrix phase, which reduces its resistance to diffusion wear and reduces the performance of the material when cutting heat-resistant alloys. In addition, increasing the content of cubic nitride contributes to the cost of material, which is contrary to the objectives of the present invention.

Объемное содержание нитрида кремния и оксида алюминия в исходной смеси влияет на износ инструмента при обработке различных типов материалов. Так, при резании стали ХВГ наименьший износ наблюдается при преимущественном содержании в матричной фазе оксида алюминия, в то время как наименьший износ при обработке чугуна СЧ20 показывает материал с преимущественным содержанием в матричной фазе нитрида кремния.The volume content of silicon nitride and aluminum oxide in the initial mixture affects the wear of the tool during processing of various types of materials. Thus, when cutting CVG steel, the smallest wear is observed at a predominant content of aluminum oxide in the matrix phase, while the smallest wear during processing of SCh20 cast iron shows a material with a predominant content of silicon nitride in the matrix phase.

В отсутствии паров алюминия в газовой фазе процесс спекания материала не может быть осуществлен в условиях используемого диапазона давлений.In the absence of aluminum vapor in the gas phase, the sintering process of the material cannot be carried out under the conditions of the pressure range used.

Температуры спекания ниже 1450°C недостаточны для формирования матрицы необходимой структуры, и, следовательно, прочного удержания зерен кубического нитрида бора: материал не спекается. Использование температуры спекания выше 1550°C приводит к разрушению материала из-за фазового перехода кубического нитрида бора в гексагональный.Sintering temperatures below 1450 ° C are insufficient for the formation of a matrix of the required structure, and, therefore, strong retention of grains of cubic boron nitride: the material does not sinter. Using a sintering temperature above 1550 ° C leads to the destruction of the material due to the phase transition of cubic boron nitride to hexagonal.

При длительности спекания менее 20 с не происходит образования материала необходимой прочности, так как микроструктура матричной фазы не успевает полностью сформироваться и в полной мере не происходит образования наноразмерных частиц нитрида алюминия в объеме матричной фазы и на ее границах с зернами кубического нитрида бора, упрочняющих материал. Длительность спекания более 20 с не приводит к улучшению материала. При длительности 25 с и выше материал разрушается из-за разложения нитрида кремния в условиях выбранных диапазонов температуры и давления.With a sintering duration of less than 20 s, the formation of the material of the required strength does not occur, since the microstructure of the matrix phase does not have time to fully form and the formation of nanosized aluminum nitride particles in the bulk of the matrix phase and at its boundaries with cubic boron nitride grains that strengthen the material does not fully occur. A sintering duration of more than 20 s does not lead to an improvement in the material. With a duration of 25 s and above, the material is destroyed due to the decomposition of silicon nitride in the conditions of the selected temperature and pressure ranges.

Предлагаемое изобретение является новым, имеет изобретательский уровень, применимо в промышленных масштабах. Изобретение может быть реализовано с использованием промышленного метода получения сверхтвердых материалов высоких давлений и высоких температур.The present invention is new, has an inventive step, applicable on an industrial scale. The invention can be implemented using the industrial method of obtaining superhard materials of high pressures and high temperatures.

Ниже приводятся примеры реализации изобретения.The following are examples of implementation of the invention.

Пример 1.Example 1

Смешивание порошков кубического нитрида бора (фирма Funik, Китай), оксида алюминия (фирма Almatis, Германия, марка CT 3000 SDP) и нитрида кремния (Pangea, Китай) производили в соотношении: 52 об. %, 37 об. %, 11 об. %, соответственно, в планетарной мельнице с мелющими телами из оксида алюминия в среде изопропилового спирта в течение 3 ч.The mixing of powders of cubic boron nitride (Funik, China), aluminum oxide (Almatis, Germany, CT 3000 SDP) and silicon nitride (Pangea, China) were carried out in a ratio of 52 vol. %, 37 vol. %, 11 vol. %, respectively, in a planetary mill with grinding media of aluminum oxide in isopropyl alcohol for 3 hours

Высушенные однородные смеси предварительно консолидировали в виде пластин необходимой геометрии под давлением 100 МПа. Полученную прессованную заготовку помещали в нагреватель в виде стаканчика с крышкой, изготовленный из графита, содержащего 20 мас. % дисперсного металлического алюминия, и устанавливали в контейнер на основе карбоната кальция.The dried homogeneous mixtures were previously consolidated in the form of plates of the required geometry under a pressure of 100 MPa. The obtained pressed billet was placed in a heater in the form of a cup with a lid made of graphite containing 20 wt. % dispersed aluminum metal, and installed in a container based on calcium carbonate.

Композиционный наноструктурированный материал получали методом НРНТ с использованием камеры высокого давления типа «наковальня с лункой», в которую помещали собранный контейнер. Процесс проводили в температурном диапазоне 1450÷1550°C под давлением 3,5-3,9 ГПа. Длительность цикла - 20 с. Нагрев осуществляли за счет пропускания электрического тока через нагреватель. При синтезе материалов использовали стальные блок-матрицы.Composite nanostructured material was obtained by the HPHT method using an anvil with a hole high-pressure chamber, in which the assembled container was placed. The process was carried out in a temperature range of 1450 ÷ 1550 ° C under a pressure of 3.5-3.9 GPa. The cycle time is 20 s. Heating was carried out by passing an electric current through the heater. In the synthesis of materials used steel block matrix.

Рентгенофазовый анализ показал присутствие нитрида алюминия в полученном материале. Микроструктуру полученного материала исследовали с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ), которая показала, что наноразмерные частицы AlN (фаза C на рис. 1) располагаются в объеме матричной фазы (фаза B на рис. 1) и на ее границах с зернами кубического нитрида бора (фаза A на рис. 1).X-ray phase analysis showed the presence of aluminum nitride in the resulting material. The microstructure of the obtained material was studied using scanning electron microscopy (SEM), which showed that nanosized AlN particles (phase C in Fig. 1) are located in the bulk of the matrix phase (phase B in Fig. 1) and at its boundaries with grains of cubic boron nitride (phase A in Fig. 1).

Испытания на работоспособность при резании осуществляли на пластинах формы RNMN 09Т300 (по ISO513) при точении закаленной стали марки ХВГ с твердостью 58…62 ед. по HRC при скорости резания - 160 м/мин, подаче - 0,07 мм/об., глубине резания - 0,2…0,5 мм, времени проведения испытаний - 5 мин и серого чугуна марки СЧ20 при скорости резания - 600 м/мин, подаче - 0,2 мм/об., глубине резания - 2 мм, времени проведения испытаний - 1,5 мин. Испытания проводили без использования СОЖ.Performance tests when cutting was carried out on plates of the form RNMN 09T300 (according to ISO513) when turning hardened steel grade HVG with a hardness of 58 ... 62 units. HRC at a cutting speed of 160 m / min, a feed of 0.07 mm / rev, a cutting depth of 0.2 ... 0.5 mm, a test time of 5 minutes and gray cast iron grade SCH20 at a cutting speed of 600 m / min, feed - 0.2 mm / rev., cutting depth - 2 mm, test time - 1.5 min. The tests were carried out without the use of coolant.

Результаты испытаний приведены в таблице 1.The test results are shown in table 1.

Пример 2.Example 2

Материал и способ его получения по примеру 1, в котором смешивание исходных порошков кубического нитрида бора, оксида алюминия и нитрида кремния производят в соотношении: 52 об. %, 22 об. %, 26 об. %, соответственно. Состав полученного материала и результаты испытаний на работоспособность при резании приведены в таблице 1.The material and its production method according to example 1, in which the mixing of the initial powders of cubic boron nitride, aluminum oxide and silicon nitride is carried out in a ratio of: 52 vol. %, 22 vol. %, 26 vol. %, respectively. The composition of the obtained material and the results of tests for efficiency during cutting are shown in table 1.

Пример 3.Example 3

Материал и способ его получения по примеру 1, в котором смешивание исходных порошков кубического нитрида бора, оксида алюминия и нитрида кремния производят в соотношении: 52 об. %, 8 об. %, 40 об. %, соответственно. Состав полученного материала и результаты испытаний на работоспособность при резании приведены в таблице 1.The material and its production method according to example 1, in which the mixing of the initial powders of cubic boron nitride, aluminum oxide and silicon nitride is carried out in a ratio of: 52 vol. %, 8 vol. %, 40 vol. %, respectively. The composition of the obtained material and the results of tests for efficiency during cutting are shown in table 1.

Точение жаропрочных заготовок из материала ХН77ТЮР осуществлялось на скорости 300 м/мин, с подачей 0,15 мм/об, при глубине резания 1 мм, при времени обработки 4 мин. Испытания проводили с использованием СОЖ.Turning of heat-resistant workpieces made of KhN77TYUR material was carried out at a speed of 300 m / min, with a feed of 0.15 mm / rev, with a cutting depth of 1 mm, with a processing time of 4 minutes. Tests were performed using coolant.

При точении жаропрочного сплава износ по задней грани образца №3 составил 0,4 мм, износ пластинки из кубического нитрида без добавления Si₃N₄ составил 0,6 мм.When turning a heat-resistant alloy, the wear along the rear face of sample No. 3 was 0.4 mm, the wear of a plate of cubic nitride without adding Si ₃ N ₄ was 0.6 mm.

Пример 4Example 4

Материал и способ его получения по примеру 1, в котором смешивание исходных порошков кубического нитрида бора, оксида алюминия и нитрида кремния производят в соотношении: 49 об. %, 25 об. %, 26 об. %, соответственно. Состав полученного материала и результаты на работоспособность при резании приведены в таблице 1.The material and its production method according to example 1, in which the mixing of the initial powders of cubic boron nitride, aluminum oxide and silicon nitride is carried out in a ratio of: 49 vol. %, 25 vol. %, 26 vol. %, respectively. The composition of the obtained material and the results on the performance during cutting are shown in table 1.

Пример 5Example 5

Материал и способ его получения по примеру 1, на который нанесено износостойкое защитное покрытие методом физического газофазного осаждения (ФГО) состава Al_0,6Ti_0,4N толщиной ~3 мкм. На рис. 2 приведена РЭМ-микрофотография материала на основе cBN (область A) с защитным износостойким покрытием AlTiN (область B). Состав полученного материала и результаты испытаний на работоспособность при резании приведены в таблице 1.The material and the method of its production according to example 1, on which a wear-resistant protective coating is applied by the method of physical gas phase deposition (PF) of the composition Al _0.6 Ti _0.4 N with a thickness of ~ 3 μm. In fig. Figure 2 shows an SEM photomicrograph of a cBN-based material (region A) with an AlTiN protective wear-resistant coating (region B). The composition of the obtained material and the results of tests for efficiency during cutting are shown in table 1.

Пример 6Example 6

Материал и способ его получения по примеру 1, в котором смешивание исходных порошков кубического нитрида бора, оксида алюминия и нитрида кремния производят в соотношении: 46 об. %, 10 об. %, 44 об. %, соответственно. Состав полученного материала и результаты испытаний на работоспособность при резании приведены в таблице 1.The material and its production method according to example 1, in which the mixing of the initial powders of cubic boron nitride, aluminum oxide and silicon nitride is carried out in a ratio of: 46 vol. %, 10 vol. %, 44 vol. %, respectively. The composition of the obtained material and the results of tests for efficiency during cutting are shown in table 1.

Пример 7Example 7

Материал и способ его получения по примеру 1, в котором смесь для изготовления нагревателя содержала 10 мас. % металлического алюминия. Состав полученного материала и результаты испытаний на работоспособность при резании приведены в таблице 1.The material and method for its preparation according to example 1, in which the mixture for the manufacture of the heater contained 10 wt. % metal aluminum. The composition of the obtained material and the results of tests for efficiency during cutting are shown in table 1.

Пример 8Example 8

Материал и способ его получения по примеру 1, в котором смесь для изготовления нагревателя не содержала металлический алюминий. Состав полученного материала и результаты спекания приведены в таблице 1.The material and method for its preparation according to example 1, in which the mixture for the manufacture of the heater did not contain aluminum metal. The composition of the obtained material and the sintering results are shown in table 1.

Пример 9Example 9

Материал и способ его получения по примеру 1, в котором спекание проводили в диапазоне температур 1550-1600°C. Состав полученного материала и результаты спекания приведены в таблице 1.The material and its production method according to example 1, in which sintering was carried out in the temperature range 1550-1600 ° C. The composition of the obtained material and the sintering results are shown in table 1.

Пример 10Example 10

Материал и способ его получения по примеру 1, в котором спекание проводили в течение 24 с. Состав полученного материала и результаты испытаний на работоспособность при резании приведены в таблице 1.The material and its production method according to example 1, in which sintering was carried out for 24 s. The composition of the obtained material and the results of tests for efficiency during cutting are shown in table 1.

Пример 11Example 11

Материал и способ его получения по примеру 1, в котором спекание проводили в течение 25 с. Состав полученного материала и результаты спекания приведены в таблице 1.The material and its production method according to example 1, in which sintering was carried out for 25 s The composition of the obtained material and the sintering results are shown in table 1.

Список источниковList of sources

[1]. Грубый С.В., Лапшин В.В. Исследование режущих свойств резцов из нитрида бора // Наука и образование: научно издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электронный научно-технический журнал. - 2012. - №6. - с. 61-76. DOI: 10.7463/0612.0423622[one]. Gruby S.V., Lapshin V.V. Study of the cutting properties of boron nitride cutters // Science and Education: Scientific Edition of MSTU. N.E. Bauman. Electronic scientific and technical journal. - 2012. - No. 6. - from. 61-76. DOI: 10.7463 / 0612.0423622

[2]. Зубарев Ю.М. Современные инструментальные материалы. - СПб: Лань. - 2008. - 224 с.[2]. Zubarev Yu.M. Modern instrumental materials. - St. Petersburg: Doe. - 2008 .-- 224 p.

[3]. Klimczyk P. et al. Cubic boron nitride based composites for cutting applications / P. Klimczyk, P. Figiel, I. Petrusha, A. Olszyna // Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. - 2011. - V. 44, №2. - P. 198-204.[3]. Klimczyk P. et al. Cubic boron nitride based composites for cutting applications / P. Klimczyk, P. Figiel, I. Petrusha, A. Olszyna // Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. - 2011. - V. 44, No. 2. - P. 198-204.

[4]. Gaurav Bartarya, Choudhury S.K. State of the art in hard turning // International Journal of Machine Tools and Manufacture. - 2012. - V. 53, №1. - P. 1-14. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2011.08.019[four]. Gaurav Bartarya, Choudhury S.K. State of the art in hard turning // International Journal of Machine Tools and Manufacture. - 2012. - V. 53, No. 1. - P. 1-14. DOI: 10.1016 / j.ijmachtools.2011.08.08.019

[5]. Mukhopadhyay A., Basu B. Consolidation-microstructure-property relationships in bulk nanoceramics and ceramic nanocomposites: a review / International Materials Reviews. - 2007. - V. 52, №5. - P. 257-288. DOI: 10.1179/174328007X160281[5]. Mukhopadhyay A., Basu B. Consolidation-microstructure-property relationships in bulk nanoceramics and ceramic nanocomposites: a review / International Materials Reviews. - 2007. - V. 52, No. 5. - P. 257-288. DOI: 10.1179 / 174328007X160281

[6]. US 2009247390 (A1) / Panasonic Electric Works Co., Ltd [JP]; publ. 01.10.2009.[6]. US2009247390 (A1) / Panasonic Electric Works Co., Ltd [JP]; publ. 10/01/2009.

[7]. US 2001036893 (A1) / Aisin Seiki Kabushiki Kaisha Co., Ltd. [JP]; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology [JP], Tomei Diamong Co., Ltd. [JP]; publ. 01.11.2001.[7]. US2001036893 (A1) / Aisin Seiki Kabushiki Kaisha Co., Ltd. [JP]; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology [JP], Tomei Diamong Co., Ltd. [JP]; publ. 11/01/2001.

[8]. US 2010069224 (A1) / Diamond Innovations Inc. [US]; publ. 18.03.2010.[8]. US2010069224 (A1) / Diamond Innovations Inc. [US]; publ. 03/18/2010.

[9]. JPS 5861256 (A) / Mitsubishi Metal Corporation [JP]; publ. 12.04.1983.[9]. JPS 5861256 (A) / Mitsubishi Metal Corporation [JP]; publ. 04/12/1983.

Claims (5)

1. Износостойкий композиционный наноструктурированный материал на основе кубического нитрида бора (cBN) с матрицей из нитрида кремния (Si₃N₄) и оксида алюминия (Al₂O₃), содержащий компонент, упрочняющий границы между зернами нитрида бора и матрицей, отличающийся тем, что упрочняющий компонент дополнительно упрочняет матрицу и представляет собой наноразмерную фазу нитрида алюминия (AlN), при следующем объемном содержании компонентов, %:
cBN 49-52 матричная фаза 42-45 наноразмерная фаза AlN 4-6 1. Wear-resistant composite nanostructured material based on cubic boron nitride (cBN) with a matrix of silicon nitride (Si ₃ N ₄ ) and aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ), containing a component that strengthens the boundaries between the grains of boron nitride and the matrix, characterized in that the reinforcing component additionally strengthens the matrix and represents a nanoscale phase of aluminum nitride (AlN), with the following volumetric content of components,%:
cBN 49-52 matrix phase 42-45 nanoscale phase AlN 4-6 2. Материал по п. 1 с покрытием состава Al_XTi_(1-X)N, где x=0,55÷0,65, нанесенным методом физического газофазного осаждения.2. The material according to claim 1 with a coating composition Al _X Ti _(1-X) N, where x = 0.55 ÷ 0.65, deposited by physical vapor deposition. 3. Способ получения материала по п. 1, включающий стадии смешивания исходных порошков кубического нитрида бора, оксида алюминия, нитрида кремния и спекания полученной смеси в условиях высоких давлений и высоких температур, отличающийся тем, что процесс спекания осуществляют в газовой фазе, содержащей алюминий (Al), при температуре от 1450 до 1550°C и давлении в диапазоне 3,5-3,9 ГПа в течение 20 с.3. The method of obtaining material according to claim 1, comprising the steps of mixing the initial powders of cubic boron nitride, aluminum oxide, silicon nitride and sintering the resulting mixture under conditions of high pressures and high temperatures, characterized in that the sintering process is carried out in a gas phase containing aluminum ( Al), at a temperature of 1450 to 1550 ° C and a pressure in the range of 3.5-3.9 GPa for 20 s. 4. Способ по п. 3, в котором порошки кубического нитрида бора, оксида алюминия и нитрида кремния смешивают при объемном соотношении, %:
cBN 49-52 Si₃N₄ 8-40 Al₂O₃ остальное 4. The method according to p. 3, in which the powders of cubic boron nitride, aluminum oxide and silicon nitride are mixed in a volume ratio,%:
cBN 49-52 Si ₃ N ₄ 8-40 Al ₂ O ₃ rest 5. Способ по п. 3, в котором газовая фаза, содержащая алюминий (Al), образуется в результате пропускания электрического тока через нагреватель, содержащий углерод и металлический алюминий (Al), в который помещают смесь порошков по п. 4. 5. The method according to p. 3, in which the gas phase containing aluminum (Al) is formed by passing an electric current through a heater containing carbon and metallic aluminum (Al), into which the powder mixture according to p. 4 is placed.

Images