Способ получения композиционного материала на основе al2o3 -ticn

Авторы патента:


Способ получения композиционного материала на основе al2o3 -ticn
Способ получения композиционного материала на основе al2o3 -ticn
Способ получения композиционного материала на основе al2o3 -ticn
Способ получения композиционного материала на основе al2o3 -ticn

Владельцы патента RU 2707216:

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" (RU)

Изобретение относится к производству композиционного материала на основе Al2O3-TiCN и может быть использовано в инструментальной промышленности при производстве сменных многогранных режущих пластин. Для получения композиционного материала осуществляют подготовку порошковой смеси шихты, состоящей из порошка α - Al2O3, легированного 0,5-1,0 мас.% Y2O3 и 0,1-0,5 мас.% MgO, и порошка TiCN при следующем соотношении компонентов, мас.%: 60-80 α - Al2O3 и 20-40 TiCN. Изготавливают из исходных порошков Al2O3 и TiCN водные суспензии с последующим диспергированием. Смешивают суспензии в шаровой мельнице. Вводят в 1 мас.% поливиниловый спирт, гранулируют порошки путем распыления готовой суспензии в жидкий азот с последующей лиофильной сушкой. Формуют заготовки методом предварительного осевого прессования и окончательного гидростатического. Получают покрытие нитрида алюминия на частицах Al2O3 при нагреве прессовок от комнатной температуры до 1450°С в протоке азота с выдержкой при максимальной температуре 1-4 часа. Спекают композиционный материал в среде аргона при температуре 1800°С. Обеспечивается повышение прочности при изгибе, твердости и трещиностойкости композиционного материала. 4 ил.

 

Изобретение относится к производству композиционного материала на основе Al2O3 - TiCN, обладающего высокой прочностью, трещиностойкостью, твердостью и, как следствие, абразивной износостойкостью, и может быть использовано в инструментальной промышленности при производстве сменных многогранных режущих пластин.

Широкое распространение композиционных материалов на основе Al2O3 - TiC/TiCN в производстве сменных многогранных режущих пластин объясняется высокими характеристиками абразивной износостойкости, надежности инструмента, что обеспечивает высокую скорость резания (до 300 м/мин) при обработке сталей в закаленном состоянии (до 50-55 HRC). В тоже время при спекании композиционных материалов на основе Al2O3 - TiC/TiCN во время нагрева свыше 1500°С наблюдается химическое взаимодействие между Al2O3 (1) и TiC/TiCN (2) (уравнение 1, фигура 1 - схематическое изображение химического взаимодействия между Al2O3 и TiC/TiCN), что приводит к разложению упрочняющей фазы (2) и снижению плотности за счет газообразования с появлением дополнительных пор (3) в спеченном материале. Указанные явления приводят к снижению твердости и прочности материала.

Существуют различные методы, позволяющие уменьшить скорость химической реакции взаимодействия Al2O3 и TiC/TiCN в условиях свободного спекания композиции.

Известен состав шихты керамического композиционного материала (патент US 4356272, опубл. 26.10.1982 г.) принцип работы которого при спекании поясняется фигурой 2. Шихтовой материал содержит 40-85 мас.% Al2O3 (1) и 15-60 мас.% смеси TiC (2)+TiO2 (4) (при содержании оксида титана в смеси TiC+TiO2 от 5 до 15 мас.%). Наличие до 9 мас.% порошка оксида титана в составе спекаемой шихты ускоряет диффузионные процессы за счет формирования твердого раствора, уменьшает количество контактов Al2O3 - TiC/TiCN и тем самым снижает скорость химической реакции между Al2O3 и TiC/TiCN, а также температуру спекания керамики.

К недостаткам данного материала можно отнести невозможность полного исключения химического взаимодействия между Al2O3 и TiC/TiCN (уравнение 1), что приводит к частичному разложению упрочняющего компонента, образованию небольшого количества дополнительных пор (3) при спекании и снижению механических свойств керамического композиционного материала.

Известен также спеченный керамометаллический материал (патент US 5682595 А, опубл. 28.10.1997), содержащий керамическую фазу частиц глинозема или твердый раствор на основе глинозема, карбонитрида титана и металлической связующей матрицы, содержащий промежуточный слой, насыщенный азотом и титаном.

Наиболее близким к заявляемому составу шихты по своей сущности является техническое решение (патент US 5213731, опубл. 25.05.1993 г.), выбранное за прототип предлагаемого изобретения. Принцип работы прототипа при спекании поясняется фигурой 3. В данном шихтовом материале на поверхности частиц TiC/TiCN (2) формируют покрытие оксида титана (4) предварительным его окислением, что изолирует контакт между Al2O3 (1) и TiC/TiCN (2) и исключает их химическое взаимодействие с образованием дополнительных пор (3). Кроме того, присутствие оксидной пленки на поверхности карбидных частиц обеспечивает прочную адгезию на границе частиц Al2O3 - TiC и ускоряет диффузионные процессы при спекании. Данный композиционный материал характеризуется следующими показателями: твердость 19,95 ГПа, трещиностойкость 4,5 МПа*м1/2.

Однако наличие в составе шихты TiO2 на поверхности TiC/TiCN способствует увеличению размера зерен Al2O3, что приводит к снижению твердости, трещиностойкости, прочности и уменьшению срока службы. Кроме того, при нагреве покрытия TiO2 на поверхности TiC/TiCN свыше 1600°С происходит растворение слоя TiO2 в частицах Al2O3 и появление контакта между Al2O3 и TiC/TiCN, что увеличивает скорость химической реакции (уравнение 1) и приводит к появлению небольшого количества дополнительных пор в спеченной керамике.

Задача предлагаемого изобретения заключается в разработке шихты, обеспечивающей изготовление методом свободного спекания плотного композиционного материала на основе Al2O3-TiCN, сочетающего высокий уровень механических свойств (прочность при изгибе, трещиностойкость и твердость).

Технический результат изобретения заключается в повышении прочности при изгибе, твердости и трещиностойкости композиционного материала за счет наличия покрытия AlN, исключающего протекание химической реакции по уравнение 1 - разложения упрочняющего компонента и газообразования, приводящего к дополнительной пористости.

Способ получения композиционного материала на основе Al2O3-TiCN, характеризующийся тем, что осуществляют подготовку порошковой смеси шихты, состоящей из порошка α - Al2O3, легированного 0,5-1,0 мас.% Y2O3 и 0,1-0,5 мас.% MgO, и порошка TiCN при следующем соотношении компонентов, мас.%: 60-80 α - Al2O3 и 20-40 TiCN, изготавливают из исходных порошков Al2O3 и TiCN водные суспензии с последующим диспергированием с применением аттриторной мельницы до достижения дисперсности материала: D90<0,6 мкм и D50<0,3 мкм для Al2O3, D90<1,0 мкм и D50<0,6 мкм для TiCN, производят смешивание суспензий в шаровой мельнице при массовом соотношении мелющих тел к материалу 1:1, затем в суспензию вводят 1 мас.% поливинилового спирта, гранулируют путем распыления суспензии в жидкий азот с последующей лиофильной сушкой, проводят предварительное осевое прессование при 50 МПа и окончательного гидростатическое прессование при 250 МПа до геометрической плотности заготовок в 55-60%, далее получают покрытие нитрида алюминия на частицах Al2O3 при нагреве прессовок от комнатной температуры до 1450°С в протоке азота с выдержкой при максимальной температуре 1-4 часа, после чего спекают композиционный материал в среде аргона при температуре 1800°С.

Повышение прочности при изгибе, твердости и трещиностойкости композиционного материала достигается за счет использования в составе шихты порошка Al2O3, на поверхности которого присутствует покрытие нитрида алюминия AlN. Формирование покрытия нитрида алюминия на частицах Al2O3 производится методом карботермического восстановления оксида алюминия при наличии свободного углерода порошка карбонитрида титана шихты в атмосфере протока азота.

В совокупности, заявляемое изобретение позволяет в процессе свободного спекания композиции Al2O3 - TiC/TiCN исключить протекание химической реакции (уравнение 1) разложения упрочняющего компонента и газообразования, приводящего к дополнительной пористости.

Заявляемое изобретение поясняется на фигуре 4. При нагреве предлагаемой шихты керамического материала происходит химическое взаимодействие между Al2O3 (1) и покрытием AlN (5) с образованием аморфного или кристаллического соединения оксинитрида алюминия AlON (6), что приводит к ускорению диффузионных процессов и обеспечивает снижение температуры спекания композиционной керамики. В отличие от покрытия оксида титана слой AlN/AlON не приводит к росту зерна оксида алюминия. Кроме того, покрытие AlN/AlON сохраняется на поверхности частиц Al2O3 и исключает контакт между Al2O3 и TiC/TiCN до высоких температур, тем самым исключая протекание химической реакции (уравнение 1) на протяжении всей операции свободного спекания композиционного материала.

Настоящее изобретение проиллюстрировано следующими фигурами:

Фиг. 1 - схематическое изображение химического взаимодействия между Al2O3 и TiC/TiCN;

Фиг. 2 - схема спекания шихты в соответствии с патентным документом US 4356272;

Фиг. 3 - схема спекания шихты в соответствии с патентным документом US 5213731;

Фиг. 4 - принцип спекания шихты в соответствии с заявленным изобретением.

Примеры получения предлагаемой шихты и композиционного материала на основе Al2O3-TiCN приведены ниже.

Пример 1.

В качестве основных компонентов порошковой смеси шихты используются 60 мас.% α - Al2O3 (легированного 0,5 мас.% Y2O3 и 0,1 мас.% MgO) и 40 мас.% TiCN. Из исходных порошков Al2O3 и TiCN подготавливаются водные суспензии. Диспергирование суспензий производится с применением аттриторной мельницы до достижения следующей дисперсности материала: D90<0,6 мкм и D50<0,3 мкм для Al2O3, D90<1,0 мкм и D50<0,6 мкм для TiCN. Смешивание суспензий производится в шаровой мельнице при соотношении мелющих тел к материалу 1:1. Перед этапом гранулирования в итоговую суспензию вводится 1 мас.% поливинилового спирта в качестве временной органической добавки. Грануляция порошков производится путем распыления готовой суспензии в жидкий азот с последующей лиофильной сушкой. Формование заготовок производится методом предварительного осевого прессования при давлении 50 МПа и окончательного гидростатического с давлением 250 МПа. Геометрическая плотность получаемых заготовок составляет 55%. Формирование покрытия нитрида алюминия на частицах Al2O3 протекает при нагреве прессовок от комнатной температуры до 1450°С в протоке азота с выдержкой при максимальной температуре 1 час. Спекание композиционного материала производится в среде аргона при температуре 1800°С.

На выходе получен высокоплотный композиционный материал (с относительной плотностью более 98%), обладающий улучшенными характеристиками твердости - 22,10 ГПа, прочности при изгибе - 730 МПа и трещиностойкости - 4,9 МПа*м1/2.

Пример 2.

В качестве основных компонентов порошковой смеси шихты используются 70 мас.% α - Al2O3 (легированного 1,0 мас.% Y2O3 и 0,5 мас.% MgO) и 30 мас.% TiCN. Из исходных порошков Al2O3 и TiCN подготавливаются водные суспензии. Диспергирование суспензий производится с применением аттриторной мельницы до достижения следующей дисперсности материала: D90<0,6 мкм и D50<0,3 мкм для Al2O3, D90<1,0 мкм и D50<0,6 мкм для TiCN. Смешивание суспензий для достижения указанного соотношения компонентов в шихте производится в шаровой мельнице при соотношении мелющих тел к материалу 1:1. Перед этапом гранулирования в итоговую суспензию вводится в 1 мас.% поливинилового спирта в качестве временной органической добавки. Грануляция порошков производится путем распыления готовой суспензии в жидкий азот с последующей лиофильной сушкой. Формование заготовок производится методом предварительного осевого прессования при давлении 50 МПа и окончательного гидростатического с давлением 250 МПа. Геометрическая плотность получаемых заготовок составляет 57%. Формирование покрытия нитрида алюминия на частицах Al2O3 протекает при нагреве прессовок от комнатной температуры до 1450°С в протоке азота с выдержкой при максимальной температуре 2 часа. Спекание композиционного материала производится в среде аргона при температуре 1800°С.

На выходе получен высокоплотный композиционный материал (с относительной плотностью более 98%), обладающий улучшенными характеристиками твердости - 21,10 ГПа, прочности при изгибе - 760 МПа и трещиностойкости - 4,9 МПа*м1/2.

Пример 3.

В качестве основных компонентов порошковой смеси шихты используются 80 мас.% α - Al2O3 (легированного 0,5 мас.% Y2O3 и 0,5 мас.% MgO) и 20 мас.% TiCN. Из исходных порошков Al2O3 и TiCN подготавливаются водные суспензии. Диспергирование суспензий производится с применением аттриторной мельницы до достижения следующей дисперсности материала: D90<0,6 мкм и D50<0,3 мкм для Al2O3, D90<1,0 мкм и D50<0,6 мкм для TiCN. Смешивание суспензий для достижения указанного соотношения компонентов в шихте производится в шаровой мельнице при соотношении мелющих тел к материалу 1:1. Перед этапом гранулирования в итоговую суспензию вводится в 1 мас.% поливинилового спирта в качестве временной органической добавки. Грануляция порошков производится путем распыления готовой суспензии в жидкий азот с последующей лиофильной сушкой. Формование заготовок производится методом предварительного осевого прессования при давлении 50 МПа и окончательного гидростатического с давлением 250 МПа. Геометрическая плотность получаемых заготовок составляет 60%. Формирование покрытия нитрида алюминия на частицах Al2O3 протекает при нагреве прессовок от комнатной температуры до 1450°С в протоке азота с выдержкой при максимальной температуре 4 часа. Спекание композиционного материала производится в среде аргона при температуре 1800°С.

На выходе получен высокоплотный композиционный материал (с относительной плотностью более 98%), обладающий улучшенными характеристиками твердости - 20,50 ГПа, прочности при изгибе - около 760 МПа и трещиностойкости - 4,9 МПа*м1/2.

Способ получения композиционного материала на основе Al2O3-TiCN, характеризующийся тем, что осуществляют подготовку порошковой смеси шихты, состоящей из порошка α - Al2O3, легированного 0,5-1,0 мас.% Y2O3 и 0,1-0,5 мас.% MgO, и порошка TiCN при следующем соотношении компонентов, мас.%: 60-80 α - Al2O3 и 20-40 TiCN, изготавливают из исходных порошков Al2O3 и TiCN водные суспензии с последующим диспергированием с применением аттриторной мельницы до достижения дисперсности материала: D90<0,6 мкм и D50<0,3 мкм для Al2O3, D90<1,0 мкм и D50<0,6 мкм для TiCN, производят смешивание суспензий в шаровой мельнице при массовом соотношении мелющих тел к материалу 1:1, затем в суспензию вводят 1 мас.% поливинилового спирта, гранулируют путем распыления суспензии в жидкий азот с последующей лиофильной сушкой, проводят предварительное осевое прессование при 50 МПа и окончательного гидростатическое прессование при 250 МПа до геометрической плотности заготовок в 55-60%, далее получают покрытие нитрида алюминия на частицах Al2O3 при нагреве прессовок от комнатной температуры до 1450°С в протоке азота с выдержкой при максимальной температуре 1-4 часа, после чего спекают композиционный материал в среде аргона при температуре 1800°С.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов, а именно к получению пластин монокристалла широкозонного нитрида галлия (GaN) с гексагональной кристаллической решеткой.

Изобретение относится к технологии химического нанесения покрытий путем разложения газообразных соединений, в частности к способам введения газов в реакционную камеру.

Настоящее изобретение предусматривает способ получения шаблона для эпитаксиального выращивания. Способ содержит стадию поверхностной обработки, включающий диспергирование Ga-атомов на поверхности сапфировой подложки, и стадию эпитаксиального выращивания AlN-слоя на сапфировой подложке, где при распределении концентрации Ga в направлении глубины перпендикулярно поверхности сапфировой подложки во внутренней области AlN-слоя, исключая зону вблизи поверхности до глубины 100 нм от поверхности AlN-слоя, полученной вторичной ионно-массовой спектрометрией, положение в направлении глубины, где Ga - концентрация имеет максимальное значение, находится в области вблизи границы раздела, расположенной между границей раздела сапфировой подложки и положением, на 400 нм отстоящим от границы раздела к стороне AlN-слоя, и максимальное значение Ga-концентрации составляет 3×1017 атом/см3 или более и 2×1020 атом/см3 или менее.

Изобретение относится к химической технологии получения нитевидных нанокристаллов нитрида алюминия (или нановискеров) и может быть использовано при создании элементов нано- и оптоэлектроники, а также люминесцентно-активных наноразмерных сенсоров медико-биологического профиля.

Изобретение относится к технологии изготовления обособленных кристаллов нитридов элементов III группы для электронных и оптоэлектронных применений. Способ включает стадии выращивания первого слоя нитридов элементов III группы на инородной подложке, обработки первого слоя нитридов элементов III группы лазером, выращивания второго слоя нитридов элементов III группы на первом слое нитридов элементов III группы, отделения путем лазерного отслаивания второго слоя нитридов элементов III группы от подложки, при этом лазерную обработку первого слоя выполняют внутри реактора и при температуре в пределах ±50°С от температуры выращивания, лазерную обработку первого слоя выбирают, по меньшей мере, из одного из следующего: отрезание, сверление или травление для образования бороздок, отверстий или других полостей в первом слое и создания между ними областей пониженных напряжений, стадию отделения с помощью лазерного отслаивания второго слоя нитридов элементов III группы от подложки выполняют внутри реактора и при температуре в пределах ±50°С от температуры выращивания.

Изобретение относится к производству независимых подложек из нитрида III группы для применения в области электроники и оптоэлетроники. Способ получения независимой подложки 100 из нитрида III группы включает осаждение первого слоя 102 нитрида III группы на подложку 101 для выращивания, формирование в первом слое 102 механически ослабленного жертвенного слоя 110, осаждение второго слоя 107 нитрида III группы на первый слой 102 и отделение второго слоя 107 от подложки 101 по механически ослабленному жертвенному слою 110, при этом стадия формирования механически ослабленного жертвенного слоя 110 включает образование вертикальных отверстий 105, проходящих вниз от свободной поверхности первого слоя 102 нитрида III группы к границе раздела 109 между первым слоем 102 и подложкой 101, латеральное травление, через отверстия 105, первого слоя 102 в указанной граничной области 109 и латеральное заращивание отверстий 105 на стадии осаждения второго слоя 107 для обеспечения непрерывного слоя.

Изобретение относится к технологии выращивания эпитаксиальных слоев полупроводниковых кристаллов нитридов третьей группы на слоистой кристаллической структуре с оптически ослабленной границей.

Изобретение относится к области технологии получения твердых кристаллических материалов методом газофазной эпитаксии. При выращивании эпитаксиальной пленки нитрида третьей группы 3 на ростовой подложке 1 используют полиморфный углеродный буферный слой 4, расположенный между подложкой 1 и эпитаксиальной пленкой 3 и состоящий из смеси поликристаллического углерода с преимущественно вертикально ориентированными базисными плоскостями 5, поликристаллического углерода с преимущественно горизонтально ориентированными базисными плоскостями 6 и аморфного углерода 7.

Изобретение относится к способу изготовления высококачественных пластин нитрида галлия эпитаксиальным выращиванием с низкой плотностью дислокации на подложке и отделением от исходной подложки, а также к полупроводниковым пластинам, имеющим кристалл GaN.

Изобретение относится к технологии получения монокристаллического нитрида алюминия, который входит в состав светоизлучающих диодов и лазерных элементов. .

Изобретение относится к области технологии получения керамики для изготовления диэлектриков конденсаторов, в т.ч. многослойных.

Изобретение относится к химической промышленности. В холодный водный раствор тетрахлорида титана с концентрацией 25-30 мас.% вводят 30-100 л титановых зародышей.

Изобретение может быть использовано в производстве анодов для литий-ионных аккумуляторов. Способ приготовления литийсодержащих частиц, подходящих для использования в электроде аккумулятора, включает формирование смеси, содержащей частицы прекурсора диоксида титана и водный раствор соединения лития.

Изобретение может быть использовано в неорганической химии. Способ получения порошка на основе карбида титана включает генерацию дугового разряда постоянного тока в газообразной среде между цилиндрическими графитовыми анодом и катодом.

Изобретение может быть использовано в неорганической химии. Устройство для получения порошка на основе карбида титана содержит цилиндрические анод и катод, выполненные из графита.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности и металлургии. Способ получения порошка диборида титана включает приготовление мокрой реакционной смеси путем гидролиза тетрахлорида титана в дистиллированной воде при постоянном перемешивании, с получением гидратированного диоксида титана и соляной кислоты при регулировке кислотности добавлением гидроксида аммония NH4OH до рН от 7 до 8.
Изобретение может быть использовано в производстве фотокатализаторов и сорбентов для очистки воды и воздуха от токсичных веществ. Для получения титанокремниевого натрийсодержащего продукта осуществляют разложение сфенового концентрата соляной кислотой с концентрацией 30-35% при температуре 95-105°С с образованием раствора хлорида кальция и титанокремниевого остатка.
Изобретение может быть использовано в металлургии при получении тугоплавкой основы безвольфрамовых твердых сплавов. Способ получения нанокристаллического порошка титан-молибденового карбида включает высокотемпературную обработку исходной смеси порошков соединения титана и молибдена с последующим охлаждением.

Изобретение может быть использовано в химической технологии. Для приготовления порошкообразных образцов η-фазы состава TiO2-х×nH2O, где n=0,9-2,0, с интеркаляцией поли-N-винилкапролактама (ПВК) в структуру η-фазы осуществляют следующие стадии.
Изобретение может быть использовано в производстве сорбентов для очистки жидких стоков от тяжелых металлов и радионуклидов, наполнителя для лакокрасочных и строительных материалов.

Изобретение относится к способу получения адсорбента для осушки содержащих влагу газов. Для получения адсорбента продукт центробежной термической активации гидраргиллита (ЦТА ГГ) в щелочном растворе, сушат, размалывают, пептизируют и пластифицируют в растворе азотной кислоты, формуют полученную пасту методом экструзии, сушат и прокаливают в токе осушенного воздуха.

Изобретение относится к производству композиционного материала на основе Al2O3-TiCN и может быть использовано в инструментальной промышленности при производстве сменных многогранных режущих пластин. Для получения композиционного материала осуществляют подготовку порошковой смеси шихты, состоящей из порошка α - Al2O3, легированного 0,5-1,0 мас. Y2O3 и 0,1-0,5 мас. MgO, и порошка TiCN при следующем соотношении компонентов, мас.: 60-80 α - Al2O3 и 20-40 TiCN. Изготавливают из исходных порошков Al2O3 и TiCN водные суспензии с последующим диспергированием. Смешивают суспензии в шаровой мельнице. Вводят в 1 мас. поливиниловый спирт, гранулируют порошки путем распыления готовой суспензии в жидкий азот с последующей лиофильной сушкой. Формуют заготовки методом предварительного осевого прессования и окончательного гидростатического. Получают покрытие нитрида алюминия на частицах Al2O3 при нагреве прессовок от комнатной температуры до 1450°С в протоке азота с выдержкой при максимальной температуре 1-4 часа. Спекают композиционный материал в среде аргона при температуре 1800°С. Обеспечивается повышение прочности при изгибе, твердости и трещиностойкости композиционного материала. 4 ил.

Наверх