Композиционный материал, содержащий благородный металл, способ получения и применение такого материала

Изобретение относится к композиционному материалу, содержащему благородные металлы, и способу его производства. Композиционный материал содержит сплав золота и алюминия и керамику на основе бора с температурой плавления выше, чем у золота, и плотностью, максимально равной 4 г/см³. Сплав золота и алюминия инфильтрован в керамику, а концентрация алюминия в композитном материале максимально составляет 20 мас. % от общей массы композиционного материала, предпочтительно максимально равна 5 мас. % от общей массы композиционного материала. Способ получения упомянутого композиционного материала включает стадию спекания, на которой осуществляют по меньшей мере частичное спекание пористой преформы, состоящей из упомянутой керамики, и стадию инфильтрации, на которой упомянутую пористую преформу пропитывают упомянутым сплавом под давлением от 10 до 200 бар, предпочтительно от 75 до 150 бар. Упомянутый композиционный материал используют в качестве материала для производства часов и для изготовления ювелирных изделий. Обеспечивается композиционный материал с низкой плотностью и повышенной твердостью. 4 н. и 14 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к композиционным материалам, содержащим благородные металлы, способу их производства и их применению.

Уровень техники

Документ US-7608127 описывает композиционные материалы, состоящие из металлической матрицы благородных металлов или сплавов благородных металлов, армированных наполнителем из карбида молибдена или карбида вольфрама. В процессе производства этот композиционный материал получают пропитыванием преформы из карбида молибдена или карбида вольфрама жидким металлом под давлением. Композиционный материал, описанный в этом документе, может иметь концентрацию металла в пределах от 56 до 75 масс.% и твердость по Виккерсу, превышающую 171 VHN, возможно превышающую 500 VHN.

Сущность изобретения

Первичная цель настоящего изобретения состоит в создании нового композиционного материала, имеющего характеристики по меньшей мере предпочтительные для известного уровня техники, если не лучшие. В этой связи изобретение предлагает композиционный материал, объединяющий

благородный металл или сплав, содержащий благородный металл (рассматриваемый сплав может быть, например, сплавом благородных металлов друг с другом и/или с другими металлами, такими как алюминий, медь и титан),

и керамику на основе бора, имеющую точку плавления выше, чем у указанного благородного металла, и плотность максимально равную 4 г/см³.

Таким образом, благодаря выбору керамики на основе бора авторы получают композиционный материал с низкой плотностью и значительной твердостью. Несмотря на очень низкую смачиваемость керамики на основе бора, данный композиционный материал прежде всего может быть получен пропиткой жидким металлом под давлением.

В различных воплощениях композиционного материала согласно изобретению авторы преимущественно используют одно и/или несколько из следующих положений:

композиционный материал имеет концентрацию благородного металла более 75 масс.% от общей массы указанного материала;

упомянутый благородный металл выбирают из золота, платины, палладия и серебра;

упомянутый благородный металл является золотом;

керамику объединяют со сплавом золота или алюминия, при этом композиционный материал имеет концентрацию алюминия, максимально составляющую 20 масс. % от общей массы композиционного материала, предпочтительно максимально равную 5 масс. % от общей массы композиционного материала;

благородный металл легируют титаном, при этом концентрация титана составляет между 0,5 и 2 масс. % от общей массы композиционного материала, предпочтительно приблизительно 1 масс. % от общей массы композиционного материала, что способствует инфильтрации благородного металла или сплава в керамику;

указанную керамику выбирают из: карбида бора, нитрида бора, оксида бора и гетероалмазного BCN;

указанную керамику выбирают из карбидов бора, имеющих приблизительные формулы В₄С, В₁₃С₂ и В₁₂С₃;

указанная керамика является нитридом бора, имеющим формулу BN и выбранным из: кубического нитрида бора, нитрида бора с кристаллической структурой типа вюртцита, гексагонального нитрида бора;

указанная керамика является оксидом бора В₆О;

указанная керамика является кубическим BC₂N;

указанная керамика является электрическим проводником, что делает возможной электроискровую обработку композиционного материала;

материал имеет твердость, превышающую 320 HV, предпочтительно превышающую 400 HV;

объемная доля керамики составляет между 55 и 80% от объема указанного материала;

керамика находится в форме дискретных частиц, имеющих эквивалентный диаметр, находящийся между 0,1 мкм и 1 мм, предпочтительно между 1 мкм и 100 мкм;

керамика образует непрерывную, связанную фазу;

композиционный материал имеет плотность между 7 и 14 г/см³.

Другой целью изобретения является способ получения указанного выше композиционного материала, при этом указанный способ содержит стадию инфильтрации, на которой пористую преформу, состоящую из указанной керамики, пропитывают под давлением от 10 до 200 бар, предпочтительно от 75 до 150 бар благородным металлом или сплавом.

Как показано выше, инфильтрация под давлением

позволяет пропитывать металлом керамику на основе бора, несмотря на очень низкую смачиваемость керамики этого типа. Помимо этого, таким образом удается получить композиционный материал без заметной пористости.

В различных воплощениях способа согласно изобретению авторы использовали любую из следующих операций:

в ходе стадии инфильтрации пористую преформу из карбида бора пропитывают под давлением сплавом золота и алюминия в жидкой форме;

данный способ до стадии инфильтрации также содержит стадию спекания, в ходе которого керамическая преформа по меньшей мере частично спекается.

Наконец, еще одна цель изобретения состоит в применении описанного выше композиционного материала в производстве часов или изготовлении ювелирных изделий.

Краткое описание чертежей

Другие признаки и преимущества изобретения станут ясны из следующего далее описания одно из воплощений, которое представлено с обращением к прилагаемым чертежам, на которых:

фиг.1 представляет схематическую иллюстрацию примера получения композиционного материала согласно одному воплощению данного изобретения

и фиг.2 является фотографией кристаллографического среза, демонстрирующей композиционный материал согласно одному воплощению данного изобретения.

Осуществление изобретения

Как пояснено выше, данное изобретение относится к композиционному материалу, объединяющему

благородный металл (в частности, золото, платину, палладий или серебро) или сплав, содержащий благородный металл;

и керамику на основе бора, имеющую точку плавления выше, чем у указанного благородного металла, и плотность, максимально равную 4 г/см³ (предпочтительно менее 3,5 г/см³).

Что касается вышеупомянутых сплавов, то они могут, в частности, включать

сплав золота или алюминия, при этом композиционный материал имеет концентрацию алюминия, максимально равную 20 масс.% от общей массы композиционного материала, предпочтительно максимально равную 5 масс.% от общей массы композиционного материала;

сплавы, содержащие по меньшей мере один благородный металл и по меньшей мере титан для содействия инфильтрации металла в керамику (при этом концентрация титана составляет между 0,5 и 2 масс.% от общей массы композиционного материала, предпочтительно приблизительно 1 масс. % от общей массы композиционного материала);

сплавы, содержащие по меньшей мере один благородный металл и по меньшей мере медь.

Композиционный материал может иметь концентрацию благородного металла более 75 масс. % от общей массы указанного материала, например, порядка 80 масс. %.

Упоминаемая здесь техническая керамика представляет собой твердые, огнеупорные, легковесные материалы, обладающие очень высокой химической устойчивостью. Их точка плавления, как правило, превышает 2000 градусов Цельсия. Керамика, которая может применяться в настоящем изобретении, в частности, содержит:

карбиды бора, имеющие приблизительные формулы В₄С, В₁₃С₂ и В₁₂С₃ (температура плавления 2450°С, плотность 2,48 - 2,51 г/см ³), нитриды бора, BN (плотность приблизительно 3,5 г/см³), в частности, кубический нитрид бора (температура плавления 2970°С), нитрид бора с кристаллической структурой типа вюртцита (температура плавления 1700°C), гексагональный нитрид бора (температура плавления приблизительно 2500°C), некоторые оксиды бора, в частности, оксид бора В₆О (температура плавления выше 2000°C), некоторые соединения BCN, в частности, кубический BC₂N (температура плавления выше 2000°C).

Объемная доля керамики может составлять между 55 и 80% от объема материала; керамика может находиться в форме дискретных частиц, имеющих эквивалентный диаметр, находящийся между 0,1 мкм и 1 мм, предпочтительно между 1 мкм и 100 мкм. Предпочтительным может быть наличие в одном и том же материале частиц различных размеров, в частности, для получения визуального эффекта блесток.

Если способ приготовления соединения согласно изобретению содержит стадию спекания, керамика образует непрерывную фазу, в которой в качестве связанной фазы представлены керамические зерна. Выбранная керамика предпочтительно является достаточно электропроводящей для того, чтобы сделать возможным применение электроискровой обработки. В частности, это имеет место в случае с карбидом бора, имеющим статистическую формулу В₄С.Таким образом, можно легко обрабатывать композиционный материал, несмотря на его исключительную твердость.

В результате удается получить материал, который является и легким (с низкой плотностью), и очень твердым, поэтому почти не поддающимся царапанью, отличающийся твердостью выше 320 HV, предпочтительно выше 400 HV или даже намного выше. Это последнее свойство особенно интересно, в частности, для применения

композиционных материалов в производстве часов или изготовлении ювелирных изделий.

Описанный ниже материал может быть реализован, в частности, способом, поясняемым на фиг.1 и содержащим следующие стадии:

изготовление пористой керамической преформы, в частности, спеканием;

инфильтрация под давлением благородного металла или сплава в данную керамическую преформу.

Пример

Коммерчески доступный порошок карбида бора F1000 (размер частиц 5 мкм) со статистической формулой В₄С был подвергнут холодному прессованию при 200 МПа изостатического давления (фиг.1, стадии (а) - (с)), а затем в течение 1 часа спеканию при 2100°С в обжиговой печи под вакуумом (фиг.1, стадия (d)).

Плотность спеченной преформы равнялась 1,766 г/см³, а плотность порошка - 2,48 г/см³. Таким образом, компактный материал преформы занимает 71,19%, оставляя пористость в 28,81%.

После этого спеченную преформу при температуре 1200°С под давлением газа (аргон) в 150 бар пропитывали чистым золотом (фиг.1, стадия (е)).

Полученный материал представляет собой композит с металлической матрицей, имеющий плотность 7,48 г/см³. Концентрация чистого золота в композите превышает 76 масс.%, а его твердость по Виккерсу составляет между 650 и 700 (нагрузка 30 Н, 16 секунд). Показанный на фиг.2 кристаллографический срез был получен на образце указанного композита, подвергнутого полировке с алмазными частицами диаметром вплоть до 0,25 мкм, и представлен в 50-кратном увеличении под оптическим микроскопом. Яркие области соответствуют инфильтрованному в керамику металлу.

1. Композиционный материал, содержащий сплав золота и алюминия и керамику на основе бора с температурой плавления выше, чем у золота, и плотностью максимально равной 4 г/см³, причем сплав золота и алюминия инфильтрован в керамику, а концентрация алюминия в композиционном материале максимально составляет 20 мас. % от общей массы композиционного материала, предпочтительно максимально равна 5 мас. % от общей массы композиционного материала.

2. Композиционный материал по п. 1, имеющий концентрацию золота более 75 мас. % от общей массы указанного материала.

3. Композиционный материал по п. 1, в котором золото сплавлено с титаном, при этом концентрация титана составляет между 0,5 и 2 мас. % от общей массы композиционного материала, предпочтительно приблизительно 1 мас. % от общей массы композиционного материала.

4. Композиционный материал по п. 1, в котором указанная керамика выбрана из карбида бора, нитрида бора, оксида бора и гетероалмазного BCN.

5. Композиционный материал по п. 4, в котором указанная керамика выбрана из карбидов бора, имеющих формулы В₄С, В₁₃С₂ и В₁₂С₃.

6. Композиционный материал по п. 4, в котором указанная керамика является нитридом бора, имеющим формулу BN, выбранным из кубического нитрида бора, нитрида бора с кристаллической структурой типа вюртцита, гексагонального нитрида бора.

7. Композиционный материал по п. 4, в котором указанная керамика является оксидом бора В₆О.

8. Композиционный материал по п. 4, в котором указанная керамика является кубическим BC₂N.

9. Композиционный материал по п. 1, в котором указанная керамика является электропроводящей.

10. Композиционный материал по п. 1, имеющий твердость, превышающую 320 HV, предпочтительно превышающую 400 HV.

11. Композиционный материал по п. 1, в котором объемная доля керамики составляет между 55 и 80% от объема указанного композиционного материала.

12. Композиционный материал по п. 1, в котором керамика находится в форме дискретных частиц, имеющих эквивалентный диаметр, находящийся между 0,1 мкм и 1 мм, предпочтительно между 1 мкм и 100 мкм.

13. Композиционный материал по п. 1, в котором керамика образует непрерывную связанную фазу.

14. Композиционный материал по п. 1, имеющий плотность между 7 и 14 г/см³.

15. Способ получения композиционного материала по п. 1, который включает стадию спекания, на которой осуществляют по меньшей мере частичное спекание пористой преформы, состоящей из упомянутой керамики, и стадию инфильтрации, на которой упомянутую пористую преформу пропитывают упомянутым сплавом под давлением от 10 до 200 бар, предпочтительно от 75 до 150 бар.

16. Способ по п. 15, в котором в ходе стадии инфильтрации пористую преформу из карбида бора пропитывают под давлением сплавом золота и алюминия в жидкой форме.

17. Применение композиционного материала по п. 1 в качестве материала для производства часов.

18. Применение композиционного материала по п. 1 в качестве материала для изготовления ювелирных изделий.