WO2022025800A1 - Chromium tetraboride-based materials and methods for producing same - Google Patents
Chromium tetraboride-based materials and methods for producing same Download PDFInfo
- Publication number
- WO2022025800A1 WO2022025800A1 PCT/RU2021/050213 RU2021050213W WO2022025800A1 WO 2022025800 A1 WO2022025800 A1 WO 2022025800A1 RU 2021050213 W RU2021050213 W RU 2021050213W WO 2022025800 A1 WO2022025800 A1 WO 2022025800A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- chromium
- tetraboride
- binder
- cobalt
- carbide
- Prior art date
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 122
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 112
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 title claims description 109
- 239000011651 chromium Substances 0.000 title claims description 109
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 18
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 33
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 100
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims description 72
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims description 66
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 62
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 49
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 47
- UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N tungsten carbide Chemical compound [W+]#[C-] UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 44
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims description 41
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 claims description 41
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 39
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 36
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 36
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 34
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 29
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 28
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 26
- UHPOHYZTPBGPKO-UHFFFAOYSA-N bis(boranylidyne)chromium Chemical compound B#[Cr]#B UHPOHYZTPBGPKO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 26
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 25
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 22
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 238000005553 drilling Methods 0.000 claims description 12
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 12
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 11
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 11
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims description 9
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 9
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910019918 CrB2 Inorganic materials 0.000 claims description 8
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- WRSVIZQEENMKOC-UHFFFAOYSA-N [B].[Co].[Co].[Co] Chemical group [B].[Co].[Co].[Co] WRSVIZQEENMKOC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000011435 rock Substances 0.000 claims description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 abstract description 2
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 21
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 10
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 10
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 9
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 9
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 6
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 6
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 238000005087 graphitization Methods 0.000 description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 3
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 3
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 description 2
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 238000007373 indentation Methods 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 2
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000006101 laboratory sample Substances 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 231100000241 scar Toxicity 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002411 thermogravimetry Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/12—Both compacting and sintering
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/12—Both compacting and sintering
- B22F3/16—Both compacting and sintering in successive or repeated steps
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
- B22F7/02—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite layers
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C26/00—Alloys containing diamond or cubic or wurtzitic boron nitride, fullerenes or carbon nanotubes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
- C22C29/14—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on borides
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B10/00—Drill bits
- E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
Definitions
- the invention relates to the field of synthesis of new materials and can be used for the manufacture of cutting tools, cutters of rock cutting tools (drill bits) and other structural elements and mechanisms that require high wear resistance of surfaces.
- Drill bit cutters made of a layer of carbide material and a layer of diamond (PDC) are widely used.
- Chromium borides due to their crystal structure, have a high hardness, which allows them to be used in the manufacture of wear-resistant products.
- the most widely used materials due to their high wear resistance are materials based on tungsten carbide. Due to the shortage of tungsten, other carbide materials are widely studied, which include carbides or borides of various metals and their combinations. Some of them have high hardness but less bending strength, or good bending strength but less hardness and wear resistance.
- a drilling tool is known, at least part of the element of which contains triple borides, which include, in particular, chromium, and a method for the synthesis of such elements (application for invention US 20140262542, publ. 18.09.2014, IPC: E21B 10/567, B24D 8 /00).
- triple borides provide better sintering and mechanical properties of the material.
- Common features with the claimed materials is the content of chromium borides in the composition.
- the crystal structure of ternary borides can vary depending on the composition and content of the components, which will have a significant impact on the hardness and elastic moduli of the material.
- the introduction of additional elements into the structure will also reduce the high thermal stability characteristic of chromium borides.
- the well-known technical solution does not indicate which chromium borides are included in the composition of the material, and secondly, the execution of the material in the form of a plurality of overlapping plates, which contain only 30% chromium borides or less, does not provide high hardness, heat resistance , wear resistance and high values of all effective moduli of elasticity of such material.
- a method for obtaining a wear-resistant and corrosion-resistant coating which includes applying an initial powder mixture containing at least two components (chromium and a boron-containing alloy) to the substrate, followed by heating the applied coating to a temperature sufficient to conduct a diffusion reaction between the components.
- an initial powder mixture containing at least two components chromium and a boron-containing alloy
- Common features are the use of a boron-containing alloy (in the case of the claimed invention, chromium diboride (CrB 2 )) and the synthesis of the material at high temperature.
- chromium powder and boron-containing powder on the right as the initial mixture makes it difficult to form chromium tetraboride in the composition of the material due to the lack of boron, and the low content of chromium borides does not allow obtaining a material with high hardness, heat resistance and wear resistance.
- the closest analogue (prototype) of the claimed invention is the known material (Wang S. et al. Crystal structures, elastic properties, and hardness of high-pressure synthesized CrB 2 and CrB 4 // J. Superhard Mater. 2014. Vol. 36. P. 279–287), the phase composition of which includes 45% CrB 4 , 50% CrB 2 , and 5% boron nitride.
- Common features of the claimed and known material are the content of chromium tetraboride and chromium diboride. However, boron nitride enters the composition of this material in the process of thermobaric synthesis of samples.
- the hard material known from the indicated source can be used for the manufacture of cutters for drill bits, however, the above disadvantages of the known material do not allow simultaneously high bending and compressive strength, high wear resistance of the product made from the known material.
- a method for obtaining a material based on chromium tetraboride which includes pressing the initial mixture with heating, which contains boron powder and chromium powder in a ratio of 1: 4.5, after which the pressed sample is placed in a high pressure chamber and synthesis is carried out at 14 GPa and 1200 °C for 45 minutes.
- Common features of the claimed and known methods are the use of boron powder in the composition of the initial mixture, pre-compression of the initial mixture and the synthesis at high pressures and temperatures.
- the technical result of the invention is to provide high wear resistance, heat resistance, hardness and at the same time high flexural and compressive strength.
- a material that can be used in practice in a tool with high wear resistance, heat resistance and hardness, as well as elastic moduli, which provide both high bending and compressive strength.
- High flexural and compressive strength is ensured at optimal values of the elastic moduli.
- Optimal in the framework of the claimed invention are high values of Young's modulus, at which the ratio of the shear modulus to the compression modulus is 0.9 or more. With this combination of characteristics, the material has high hardness and low brittleness, which leads to high wear resistance of the material and, accordingly, to high efficiency in operations performed using products and tools made from this material, in particular when using cutting or drilling tools.
- a hard alloy material based on chromium tetraboride the phase composition of which includes chromium tetraboride, chromium diboride and a binder, while the content of these components is CrB4 45% - 60% CrB 2 25% - 45% binder 10% - 15%, where the binder is a metal boride or a mixture of metal borides selected from the group of cobalt, copper, nickel, aluminum.
- the technical result is achieved due to the content of components in the phase composition of the hard alloy material, which simultaneously provides high hardness, which is characteristic of chromium tetraboride, high heat resistance, which is characteristic of the chromium boride group, and high values of elastic moduli, at which the ratio of the shear modulus to the compression modulus is greater 0.9.
- the hardness of the carbide material itself will decrease.
- a decrease in the ratio of the shear modulus to the compression modulus is observed, which ultimately will not allow to achieve the technical result.
- the introduction of a binder into the composition of the initial mixture to obtain the claimed material activates the formation and increases the content of chromium tetraboride in the phase composition.
- An increase in the content of the binder (binder in the initial mixture) in the phase composition will lead to a decrease in hardness and heat resistance and affect the value of the elastic moduli of the material.
- the binder is a metal boride or a mixture of metal borides, which have a lower melting point and are used as a binder in carbide materials.
- the technical result is also achieved for a composite material based on chromium tetraboride, the phase composition of which includes chromium tetraboride, chromium diboride, diamond and a binder, while the content of these components is: CrB4 40% - 55% CrB2 13% - 40% diamond 10% - 25% binder 10% - 15%, where the binder is a metal boride or a mixture of metal borides selected from the group of cobalt, copper, nickel, aluminum.
- Cobalt, copper, nickel, aluminum, due to their properties, in particular the melting point, are used as a binder, which melts during the production of the material, occupies the space between the particles of chromium and boron, while ensuring heat transfer and mass transfer through the melt.
- the content of impurities in the materials up to 1%.
- Products of various shapes are obtained from the claimed materials, or the materials can be applied as a layer on the surface of any product.
- Cobalt boride or a mixture of cobalt borides of composition Co x B, where x is a number from 1 to 3, can act as a binder.
- a mixture of cobalt borides is formed, which may include one or more cobalt borides: CoB, Co 2 B Co 3 B.
- the ratio between different cobalt borides does not significantly affect the properties of the hardmetal material, provided that the total content of cobalt borides in the composition of the material as a binder is from 10% to 15%.
- the composition of the binder may additionally include a metal boride selected from the group: titanium, hafnium, niobium or other metals with similar properties. This makes it possible to reduce the amount of metal boride with a lower melting point and ensure the binding of free boron in the composition of the material.
- the claimed materials may additionally include a diamond layer.
- synthetic diamond micropowders with particle sizes from 3 to 20 microns are used.
- the claimed materials may additionally also include a layer made of hard material based on tungsten carbide, in particular the phase composition of which may include 92% tungsten carbide and 8% cobalt.
- the content of tungsten carbide can vary from 90% to 94%, the rest is cobalt. Or from any other known carbide materials.
- Carbide or composite material based on chromium tetraboride can be combined with one of two or two layers at the same time - diamond and / or carbide.
- the technical result is achieved by implementing a method for producing hard alloy material, which includes the stages of preparing the initial mixture, which includes powders of chromium diboride (60 - 75 wt.%), boron (15% - 28%) and a binder (8% - 12%), pressing the initial mixture at a pressure of 30 MPa to 50 MPa in a vacuum at a temperature of 1200°C to 1400°C from 30 to 60 minutes, sintering the pressed material in a high pressure chamber at a temperature of 1100°C to 1600°C and a pressure of 1, 0 to 7.0 GPa for 1 to 10 minutes.
- the technical result is achieved due to the composition of the initial mixture, the ratio of the components of which ensures the production of a material with a phase composition, under which the technical result is achieved, as well as the conditions of pressing and synthesis (sintering), which ensure the formation of 45% to 60% chromium tetraboride from chromium diboride by mass transfer of boron through the binder melt.
- the binder provides, under these conditions, the binding of free boron and the formation of metal borides as a result, which also act as a binder for the chromium tetraboride particles formed during the synthesis and unreacted chromium diboride particles.
- the technical result is also achieved when implementing a method for producing a composite material, which includes the stages of preparing the initial mixture, which includes powders of chromium diboride (45 - 65 wt.%), boron (15% - 20%), binder (10% - 12%), diamond (8% - 25%), pressing the initial mixture at a pressure of 30 MPa to 50 MPa in vacuum at a temperature of 1000 ° C to 1200 ° C for 5 to 10 minutes, sintering the pressed material in a high pressure chamber at a temperature of 1100 ° C C to 1500 °C and pressure from 1.0 to 7.0 GPa for 1 to 10 minutes.
- the technical result is achieved due to the content of the initial components in the mixture and the synthesis conditions under which the formation of chromium tetraboride with a content of 40% to 55% occurs, and also under which graphitization of diamonds does not occur.
- Pressing conditions in the ranges of the claimed methods provide the necessary packing density of the powders, at which, during further sintering, the formation of chromium tetraboride is ensured.
- Sintering conditions in the stated ranges provide the formation of chromium tetraboride from chromium diboride in materials, as well as sintering of diamonds with other components in a composite material based on chromium tetraboride.
- Increasing the pressure during sintering is impractical, because does not have a significant positive effect on the properties of the obtained materials, however, it complicates the practical applicability of the method, and an increase in temperature can lead to graphitization of diamonds in the composite material.
- the claimed materials may have any shape depending on, for example, the shape of the compact obtained by pressing.
- the binder can be cobalt powder, which, when obtaining materials, also acts as a binder between particles of other components, and at the same time provides binding of free boron with the formation of cobalt borides.
- the binder may include a powder of a metal selected from the group of hafnium, niobium, titanium and other metals with similar properties, which will ensure the binding of free boron in the composition of materials.
- the chromium diboride powder may have a particle size of 1 to 10 microns. Larger particle sizes lead to a slower transition of chromium diboride to chromium tetraboride. With a smaller particle size, the powders contain more impurities, which can cause technological difficulties in obtaining a hard alloy or composite material based on chromium tetraboride.
- boron powder may have a particle size of less than 3 ⁇ m and contain 99.0% or more boron
- cobalt powder may have a particle size of 0.2 ⁇ m to 2.0 ⁇ m and contain 99.5% cobalt or more. With such a particle size and purity of the initial powders, the interaction of the components and the production of materials with the stated phase composition are better.
- the diamond powder may have particle sizes from 10 ⁇ m to 60 ⁇ m. With a smaller size of diamond particles, they do not provide an increase in the wear resistance of the material, with a larger particle size, they are poorly retained in the composite matrix.
- the particle shape factor of the diamond powder can be from 1.2 to 1.3.
- the diamond layer can be made of diamond micropowder with a particle size of 3 ⁇ m to 20 ⁇ m.
- a substrate of tungsten carbide-based carbide material can be additionally added, in particular, the phase composition of such material can correspond to 92% tungsten carbide and 8% cobalt.
- a layer of carbide material can be added to the pressed material, on one side of which a diamond layer is added, and then sintering is carried out.
- a plate made of a hard alloy material based on chromium tetraboride the phase composition of which includes chromium tetraboride, chromium diboride and a binder, while the content of these components is: CrB4 45% - 60% CrB 2 25% - 45% binder 10% - 15%, where the binder is a metal boride or a mixture of metal borides selected from the group of cobalt, copper, nickel, aluminum.
- a plate made of a composite material based on chromium tetraboride the phase composition of which includes chromium tetraboride, chromium diboride, diamond and a binder, while the content of these components is: CrB4 40% - 55% CrB2 13% - 40% diamond 10% - 25% binder 10% - 15%, where the binder is a metal boride or a mixture of metal borides selected from the group of cobalt, copper, nickel, aluminum.
- the binder may be a boride or a mixture of cobalt borides of the composition Co x B, where x is a number from 1 to 3.
- the binder may additionally include borides of a metal selected from the group titanium, niobium, hafnium, zirconium.
- the thickness of the claimed plates can range from 3 mm to 10 mm.
- Claimed plates may additionally contain a diamond layer, the thickness of which can be from 0.5 mm to 3 mm.
- the diamond layer can be made of diamond micropowder with a particle size of 3 ⁇ m to 20 ⁇ m.
- Claimed plates additionally may also contain a layer made of carbide material based on tungsten carbide. Such a layer may also contain the claimed plates, which additionally contain a diamond layer.
- the phase composition of this layer may include 92% tungsten carbide and 8% cobalt.
- the thickness of such a layer can be from 2 mm to 5 mm.
- the technical result is achieved for a method of drilling underground rocks, in which drilling is carried out with a drilling tool that includes a body and at least one claimed plate.
- the achievement of the technical result is achieved through the use of a drilling tool, which includes at least one plate made of the claimed carbide or composite material based on chromium tetraboride, which provide high wear resistance, hardness, heat resistance and elastic moduli, which simultaneously provide high bending strength. and compression. This ensures high efficiency of the proposed method.
- FIG.1 X-ray diffraction pattern of two samples of carbide material based on chromium tetraboride, where 1 is a sample obtained by pressing a mixture that consists of 70% chromium diboride, 20% boron and 10% cobalt, at a pressure of 50 MPa in a vacuum at a temperature of 1400 ° C 30 minutes and sintering at a pressure of 1.5 GPa and a temperature of 1200 °C for 10 minutes, 2 - a sample obtained by pressing a mixture that consists of 75% chromium diboride, 15% boron and 10% cobalt, at a pressure of 30 MPa at a temperature of 1200 °C for 40 minutes and sintering at a pressure of 5.0 GPa and a temperature of 1400 °C for 5 minutes.
- FIG. 2 a graph of the relative change in the mass of the samples when they are heated in air to 1000 ° C: 3 - carbide material based on chromium tetraboride, 4 - carbide material based on tungsten carbide.
- FIG. 3 An image obtained by scanning electron microscopy, which shows the microstructure of a carbide material based on chromium tetraboride after heating in air to 1000 ° C, where 5 is a layer of a protective film formed as a result of thermal exposure.
- Example 1 An initial mixture is prepared containing 70% by weight of chromium diboride powder (particle size, TU 6-09-03-385-76, total boron-29.5%, free boron-0.5%, total carbon-0 .3%, the amount of the main substance is 99.1%), 20% by weight of boron powder (amorphous boron TU 2112-001-49534204-2003, black color, particle size less than 3 microns, content of the main element 99.2%, main impurities : magnesium, iron, silicon, oxygen content up to 0.5%) and 10% cobalt powder (DIACOB1500, average particle size 1.0-1.5 ⁇ m, main element content ⁇ 99.5%, impurities: nickel and oxygen).
- chromium diboride powder particle size, TU 6-09-03-385-76, total boron-29.5%, free boron-0.5%, total carbon-0 .3%, the amount of the main substance is 99.1%
- 20% by weight of boron powder amorphous boro
- the prepared mixture is placed in a graphite mold and pressed in an evacuated chamber at a pressure of 50 MPa and a temperature of 1400 °C for 30 minutes.
- a tablet-compressed sample is obtained, which is subjected to sintering in a high-pressure chamber at a pressure of 1.5 GPa and a temperature of 1200°C for 10 minutes.
- a sample with a diameter of 11 mm and a thickness of 5 mm was obtained with a phase composition of CrB 4 - 50%, CrB 2 - 38%, Co x B - 12%.
- Example 2 An initial mixture is prepared containing 75% by weight of chromium diboride powder (particle size, TU 6-09-03-385-76, total boron-29.5%, free boron-0.5%, total carbon-0 .3%, the amount of the main substance is 99.1%), 15% by weight of boron powder (amorphous boron TU 2112-001-49534204-2003, black color, particle size less than 3 microns, content of the main element 99.2%, main impurities : magnesium, iron, silicon, oxygen content up to 0.5%) and 10% cobalt powder (DIACOB1500, average particle size 1.0-1.5 ⁇ m, main element content ⁇ 99.5%, impurities: nickel and oxygen).
- chromium diboride powder particle size, TU 6-09-03-385-76, total boron-29.5%, free boron-0.5%, total carbon-0 .3%, the amount of the main substance is 99.1%
- boron powder amorphous boron TU
- the prepared mixture is placed in a graphite mold and subjected to pressing in an evacuated chamber at a pressure of 30 MPa and a temperature of 1200 °C for 40 minutes.
- a tablet-compressed sample is obtained, which is subjected to sintering in a high-pressure chamber at a pressure of 5.0 GPa and a temperature of 1400° C. for 5 minutes.
- a sample with a diameter of 11 mm and a thickness of 5 mm was obtained with a phase composition of CrB 4 - 55%, CrB 2 - 33%, Co x B - 12%.
- the figure 1 shows the diffraction patterns for samples from examples 1 and 2, and also given the reference diffractograms of tetraboride and chromium diboride. Dots mark peaks belonging to cobalt borides.
- the phase composition of the obtained samples was determined using X-ray phase analysis (the error of the method can be from 1 to 2%).
- the hardness of the obtained materials was estimated from the diameter of the indentation from the indentation of a diamond cone into the polished surface of composites based on chromium borides at a load of 600 N.
- the hardness was from 32 to 36 GPa.
- the hardness ranged from 35 to 41 GPa.
- the hardness of samples of hard alloy material based on tungsten carbide was 27 GPa. Table 1 shows examples of hardness values for several samples.
- composition of the initial mixture,% by weight Sintering conditions Phase composition of the composite Wear scar area on the abrasive wheel, mm 2 Hardness, GPa Carbide crumb with composition 92WC-8Co 7.0 GPa, 1400 ° ⁇ , 2 minutes. WC - 92%, Co - 8% 4.30 27 60% CrB2, 28% B, 12% Co 5.0 GPa, 1300 ° ⁇ , 3 min. CrB4 - 45% CrB 2 - 43% Co x B - 12% 3.90 32 66% CrB2 , 24% B, 10% Co 5.0 GPa, 1400 ° ⁇ , 2 minutes.
- 7.0 GPa 1600 ° ⁇ , 5 minutes.
- CrB4 55% CrB 2 - 20% Co x B - 15% diamond - 10% 2.40 41 60% CrB 2 , 20% B, 10% Co, 10% C (C - diamond 28/20 microns). 7.0 GPa, 1600 ° ⁇ , 3 min. CrB 4 - 50% CrB 2 - 28% Co x B - 12% diamond - 10% 2.55 40
- the wear area for a sample of a hard-alloy material based on tungsten carbide is larger compared to samples of a hard-alloy material based on chromium tetraboride and is significantly larger compared to samples of a composite material based on chromium tetraboride, which confirms the achievement of the technical result in terms of high wear resistance.
- the elastic moduli of the materials were calculated from the velocity of ultrasound passing through samples 11 mm in diameter and 5 mm high. The results are presented in Table 2. The mixtures were pressed in an evacuated chamber at a pressure of 30 MPa and a temperature of 1200°C for 30 minutes.
- composition of the initial mixture,% by weight Sintering modes Phase composition of the composite G, GPa B, GPa E, GPa G/B ratio 92WC-8Co, carbide chips 7.0 GPa, 1400 ° ⁇ , 2 minutes.
- CrB 4 - 45% CrB 2 - 40% Co x B - 15% 193 184 389 1.05 66% CrB 2 , 22% B, 12% Co 7.0 GPa, 1400 ° ⁇ , 2 minutes.
- Table 2 shows that despite the high values of the Young's modulus, the ratio of the shear modulus to the compression modulus for a sample of carbide material based on tungsten carbide is less than 0.9.
- Young's modulus For specimens made of hard alloy and composite material based on chromium tetraboride, rather high values of Young's modulus were also obtained, but at the same time, they are characterized by a ratio of shear modulus to compression modulus of 0.9 or more. The obtained results also confirm the achievement of the technical result.
- thermogravimetric analysis Samples of the claimed material and hard alloy based on tungsten carbide (VK8) weighing about 20 mg were heated in air to 1000°C at a rate of 10°C/min.
- VK8 tungsten carbide
- the hard-alloy material based on chromium tetraboride practically does not change its weight in the temperature range of 400-1000 °C.
- the hard alloy breaks down and oxidizes during heating. The oxidation process is active at temperatures above 800°C and is accompanied by a significant increase in the weight of the samples. Materials based on chromium borides are not destroyed due to the formation of a vitreous protective film on their surface ( ).
- Composite materials based on chromium tetraboride are also characterized by high heat resistance due to the formation of a vitreous film on the surface, which has a protective effect on diamonds, which are part of the composite material, and prevents their destruction and graphitization.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Geology (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
The invention relates to the field of synthesizing novel materials and can be used for manufacturing a cutting tool, cutting elements for a rock-cutting tool (drill bits), and other structural elements and mechanisms having surfaces that require high wear resistance.
Description
Изобретение относится к области синтеза новых материалов и может быть использовано для изготовления режущего инструмента, резцов породоразрушающего инструмента (буровых долот) и других элементов конструкций и механизмов, требующих высокой износостойкости поверхностей. Широкое распространение находят резцы для буровых долот, выполненные из слоя твердосплавного материала и слоя алмаза (PDC).The invention relates to the field of synthesis of new materials and can be used for the manufacture of cutting tools, cutters of rock cutting tools (drill bits) and other structural elements and mechanisms that require high wear resistance of surfaces. Drill bit cutters made of a layer of carbide material and a layer of diamond (PDC) are widely used.
Бориды хрома благодаря своей кристаллической структуре обладают высокой твердостью, что позволяет использовать их при изготовлении износостойких изделий. Существует большое разнообразие экспериментально известных фаз боридов хрома. Самой твёрдой фазой является тетраборид хрома (CrB4), обладающий предельной теоретической твёрдостью по Виккерсу около 47 ГПа и плотностью 4,29 г/см3.Chromium borides, due to their crystal structure, have a high hardness, which allows them to be used in the manufacture of wear-resistant products. There is a wide variety of experimentally known phases of chromium borides. The hardest phase is chromium tetraboride (CrB 4 ), which has a theoretical Vickers hardness limit of about 47 GPa and a density of 4.29 g/cm 3 .
Помимо высокой твердости материалы, использующиеся для изготовления износостойких изделий, в частности, резцов буровых долот или покрытий изделий, должны обладать также хорошей прочностью на изгиб (модуль сдвига) и сжатие (модуль сжатия), что также обеспечивает высокую износостойкость и возможность использования таких изделий в условиях абразивного износа. При этом, зная структуру материала/композита, можно рассчитать универсальные (оптимальные) соотношения между его эффективными упругими модулями. Сочетание высокой термостойкости и износостойкости материалов позволяет обеспечить работу изделий из них при высоких температурах в области контакта с обрабатываемым материалом.In addition to high hardness, materials used to make wear-resistant products, in particular drill bit cutters or product coatings, must also have good flexural (shear modulus) and compressive (compression modulus) strength, which also ensures high wear resistance and the ability to use such products in abrasive wear conditions. In this case, knowing the structure of the material/composite, one can calculate the universal (optimal) ratios between its effective elastic moduli. The combination of high heat resistance and wear resistance of materials makes it possible to ensure the operation of products made from them at high temperatures in the area of contact with the material being processed.
Наиболее широко применяемыми в связи с высокой износостойкостью являются материалы на основе карбида вольфрама. В связи с дефицитом вольфрама широко исследуются другие твердосплавные материалы, в состав которых входят карбиды или бориды различных металлов и их комбинации. Некоторые из них отличаются высокой твердостью, но меньшей прочностью на изгиб, либо хорошей прочностью на изгиб и при этом менее высокой твердостью и износостойкостью.The most widely used materials due to their high wear resistance are materials based on tungsten carbide. Due to the shortage of tungsten, other carbide materials are widely studied, which include carbides or borides of various metals and their combinations. Some of them have high hardness but less bending strength, or good bending strength but less hardness and wear resistance.
Известны твердосплавные материалы и изделия на их основе, в состав которых включают бориды хрома для улучшения, например, термостойкости таких материалов.Known carbide materials and products based on them, which include chromium borides to improve, for example, the heat resistance of such materials.
Известны буровой инструмент, по меньшей мере часть элемента которого содержит тройные бориды, в состав которых входит, в частности хром, и способ синтеза таких элементов (заявка на изобретение US 20140262542, опубл. 18.09.2014, МПК: E21B 10/567, B24D 8/00). При этом отмечается, что тройные бориды обеспечивают лучшую спекаемость и механические свойства материала. Общими признаками с заявленными материалами является содержание в составе боридов хрома. Однако, кристаллическая структура тройных боридов может варьироваться в зависимости от состава и содержания компонентов, что будет оказывать значительно влияние на твердость и модули упругости материала. Введение в структуру дополнительных элементов также будет снижать характерную для боридов хрома высокую термическую устойчивость.A drilling tool is known, at least part of the element of which contains triple borides, which include, in particular, chromium, and a method for the synthesis of such elements (application for invention US 20140262542, publ. 18.09.2014, IPC: E21B 10/567, B24D 8 /00). It is noted that triple borides provide better sintering and mechanical properties of the material. Common features with the claimed materials is the content of chromium borides in the composition. However, the crystal structure of ternary borides can vary depending on the composition and content of the components, which will have a significant impact on the hardness and elastic moduli of the material. The introduction of additional elements into the structure will also reduce the high thermal stability characteristic of chromium borides.
Общими признаками известного и заявленного бурового инструмента является изготовление элементов (пластин) из материала, содержащего в составе бориды хрома. Однако, указанные выше недостатки для известного материала характерны и для изделий из этого материала.Common features of the known and claimed drilling tool is the manufacture of elements (plates) from a material containing chromium borides. However, the above disadvantages for the known material are also characteristic of products made from this material.
Известно износостойкое и коррозионностойкое покрытие из множества тонких перекрывающихся пластин, которые содержат частицы борида хрома, диспергированные в металлической матрице, при этом содержание борида хрома составляет менее 30% (патент US6007922, опубл. 28.12.1999, МПК: B22F7/04, B05D 5/00). Общими признаками с заявляемыми материалами является содержание борида хрома. Однако, во-первых, в известном техническом решении не указано какие именно бориды хрома входят в состав материала, во-вторых, выполнение материала в виде множества перекрывающихся пластин, в которых содержится всего 30% боридов хрома или менее не позволяет обеспечить высокие твердость, термостойкость, износостойкость и высокие значения всех эффективных модулей упругости такого материала.Known wear-resistant and corrosion-resistant coating of many thin overlapping plates that contain particles of chromium boride dispersed in a metal matrix, while the content of chromium boride is less than 30% (patent US6007922, publ. 28.12.1999, IPC: B22F7/04, B05D 5/ 00). Common features with the claimed materials is the content of chromium boride. However, firstly, the well-known technical solution does not indicate which chromium borides are included in the composition of the material, and secondly, the execution of the material in the form of a plurality of overlapping plates, which contain only 30% chromium borides or less, does not provide high hardness, heat resistance , wear resistance and high values of all effective moduli of elasticity of such material.
Из этого же источника известен способ получения износостойкого и коррозионностойкого покрытия, который включает нанесение на подложку исходной порошковой смеси, содержащей по меньшей мере два компонента (хром и борсодержащий сплав), последующее нагревание нанесенного покрытия до температуры, достаточной для проведения диффузионной реакции между компонентами. Общими признаками является использование борсодержащего сплава (в случае заявленного изобретения диборид хрома (CrB2)) и синтез материала при высокой температуре. Однако, использование в качестве исходной смеси порошка хрома и борсодержащего справа, затрудняет образование тетраборида хрома в составе материала в связи с недостатком бора, а также низкое содержание боридов хрома не позволяет обеспечить получение материала с высокой твердостью, термостойкостью и износостойкостью.From the same source, a method for obtaining a wear-resistant and corrosion-resistant coating is known, which includes applying an initial powder mixture containing at least two components (chromium and a boron-containing alloy) to the substrate, followed by heating the applied coating to a temperature sufficient to conduct a diffusion reaction between the components. Common features are the use of a boron-containing alloy (in the case of the claimed invention, chromium diboride (CrB 2 )) and the synthesis of the material at high temperature. However, the use of chromium powder and boron-containing powder on the right as the initial mixture makes it difficult to form chromium tetraboride in the composition of the material due to the lack of boron, and the low content of chromium borides does not allow obtaining a material with high hardness, heat resistance and wear resistance.
Ближайшим аналогом (прототипом) заявленного изобретения является известный материал (Wang S. et al. Crystal structures, elastic properties, and hardness of high-pressure synthesized CrB2 and CrB4 // J. Superhard Mater. 2014. Vol. 36. P. 279–287), фазовый состав которого включает 45% CrB4, 50% CrB2 и 5% нитрида бора. Общими признаками заявленного и известного материала являются содержание тетраборида хрома и диборида хрома. Однако, нитрид бора попадает в состав указанного материала в процессе термобарического синтеза образцов. При этом он не обеспечивает связывание между частицами боридов хрома, что при высокой твердости образцов не позволяет обеспечить соотношение модулей упругости, которые характеризуют одновременно высокую прочность на изгиб и сжатие, в связи с чем не будет обеспечиваться высокая износостойкость такого материала. Известный материал также отличается низкой твердостью, т.к. указанная твердость 30ГПа для тетраборида хрома значительно ниже, чем теоретические предельные, а также практически полученные значения твердости для заявленных материалов.The closest analogue (prototype) of the claimed invention is the known material (Wang S. et al. Crystal structures, elastic properties, and hardness of high-pressure synthesized CrB 2 and CrB 4 // J. Superhard Mater. 2014. Vol. 36. P. 279–287), the phase composition of which includes 45% CrB 4 , 50% CrB 2 , and 5% boron nitride. Common features of the claimed and known material are the content of chromium tetraboride and chromium diboride. However, boron nitride enters the composition of this material in the process of thermobaric synthesis of samples. At the same time, it does not provide binding between particles of chromium borides, which, at high hardness of the samples, does not make it possible to ensure the ratio of elastic moduli, which simultaneously characterize high flexural and compressive strength, and therefore high wear resistance of such a material will not be ensured. Known material is also characterized by low hardness, because. the indicated hardness of 30 GPa for chromium tetraboride is significantly lower than the theoretical limit values, as well as practically obtained hardness values for the claimed materials.
Известный из указанного источника твердый материал может использоваться для изготовления резцов для буровых долот, однако указанные выше недостатки известного материала не позволяют обеспечить одновременно высокую прочность на изгиб и сжатие, высокую износостойкость изделия, выполненного из известного материала.The hard material known from the indicated source can be used for the manufacture of cutters for drill bits, however, the above disadvantages of the known material do not allow simultaneously high bending and compressive strength, high wear resistance of the product made from the known material.
Из этого же источника известен способ получения материала на основе тетраборида хрома, который включает прессование при нагревании исходной смеси, которая содержит порошок бора и порошок хрома в соотношении 1:4,5, после чего спрессованный образец помещают в камеру высокого давления и проводят синтез при 14 ГПа и 1200 °C в течение 45 минут. Общими признаками заявленного и известного способов являются использование порошка бора в составе исходной смеси, предварительное прессование исходной смеси и проведение синтеза при высоких давлениях и температуре. Однако, использование в составе исходной смеси порошка хрома и отсутствие активирующего и связующего агента затрудняет образование тетраборида хрома в связи с чем необходимо использование давлений выше 10 ГПа. При таких высоких термобарических параметрах можно получать только дорогие лабораторные образцы с размерами в единицы миллиметров без возможности масштабирования до объемов индустриального производства, что, соответственно, затрудняет практическую применимость известного способа.From the same source, a method for obtaining a material based on chromium tetraboride is known, which includes pressing the initial mixture with heating, which contains boron powder and chromium powder in a ratio of 1: 4.5, after which the pressed sample is placed in a high pressure chamber and synthesis is carried out at 14 GPa and 1200 °C for 45 minutes. Common features of the claimed and known methods are the use of boron powder in the composition of the initial mixture, pre-compression of the initial mixture and the synthesis at high pressures and temperatures. However, the use of chromium powder in the composition of the initial mixture and the absence of an activating and binding agent hinders the formation of chromium tetraboride, and therefore it is necessary to use pressures above 10 GPa. With such high thermobaric parameters, it is possible to obtain only expensive laboratory samples with dimensions of a few millimeters without the possibility of scaling up to industrial production volumes, which, accordingly, complicates the practical applicability of the known method.
Техническим результатом изобретения является обеспечение высокой износостойкости, термостойкости, твердости и одновременно высокой прочности на изгиб и сжатие. А также получение материала, который можно на практике использовать в инструменте, с высокими износостойкостью, термостойкостью и твердостью, а также модулями упругости, при которых обеспечивается одновременно высокая прочность на изгиб и сжатие. Высокая прочность на изгиб и сжатие обеспечивается при оптимальных значениях модулей упругости. Оптимальными в рамках заявленного изобретения являются высокие значения модуля Юнга, при которых отношение модуля сдвига к модулю сжатия составляет 0,9 и более. При таком сочетании характеристик материал обладает высокой твердостью и низкой хрупкостью, что приводит к высокой износостойкости материала и, соответственно, к высокой эффективности операций, выполняемых при использовании изделий и инструмента из такого материала, в частности при использовании режущих или буровых инструментов.The technical result of the invention is to provide high wear resistance, heat resistance, hardness and at the same time high flexural and compressive strength. As well as obtaining a material that can be used in practice in a tool, with high wear resistance, heat resistance and hardness, as well as elastic moduli, which provide both high bending and compressive strength. High flexural and compressive strength is ensured at optimal values of the elastic moduli. Optimal in the framework of the claimed invention are high values of Young's modulus, at which the ratio of the shear modulus to the compression modulus is 0.9 or more. With this combination of characteristics, the material has high hardness and low brittleness, which leads to high wear resistance of the material and, accordingly, to high efficiency in operations performed using products and tools made from this material, in particular when using cutting or drilling tools.
Технический результат достигается для твердосплавного материала на основе тетраборида хрома, фазовый состав которого включает тетраборид хрома, диборид хрома и связующее вещество, при этом содержание этих компонентов составляет
CrB4 45% - 60%
CrB2 25% - 45%
связующее вещество 10% - 15%,
где связующее вещество представляет собой борид металла или смесь боридов металла, выбранного из группы кобальт, медь, никель, алюминий.The technical result is achieved for a hard alloy material based on chromium tetraboride, the phase composition of which includes chromium tetraboride, chromium diboride and a binder, while the content of these components is
CrB4 45% - 60%
CrB 2 25% - 45%
binder 10% - 15%,
where the binder is a metal boride or a mixture of metal borides selected from the group of cobalt, copper, nickel, aluminum.
CrB4 45% - 60%
CrB2 25% - 45%
связующее вещество 10% - 15%,
где связующее вещество представляет собой борид металла или смесь боридов металла, выбранного из группы кобальт, медь, никель, алюминий.The technical result is achieved for a hard alloy material based on chromium tetraboride, the phase composition of which includes chromium tetraboride, chromium diboride and a binder, while the content of these components is
CrB4 45% - 60%
binder 10% - 15%,
where the binder is a metal boride or a mixture of metal borides selected from the group of cobalt, copper, nickel, aluminum.
Технический результат достигается за счет содержания в фазовом составе твердосплавного материала компонентов, при котором обеспечивается одновременно высокая твердость, которая характерна для тетраборида хрома, высокая термостойкость, которая характерна группе боридов хрома, и высокие значения модулей упругости, при которых отношение модуля сдвига к модулю сжатия больше 0,9.The technical result is achieved due to the content of components in the phase composition of the hard alloy material, which simultaneously provides high hardness, which is characteristic of chromium tetraboride, high heat resistance, which is characteristic of the chromium boride group, and high values of elastic moduli, at which the ratio of the shear modulus to the compression modulus is greater 0.9.
При уменьшении содержания тетраборида хрома будет уменьшаться твердость самого твердосплавного материала. При увеличении содержания тетраборида хрома наблюдается уменьшение отношения модуля сдвига к модулю сжатия, что в итоге не позволит достичь технический результат. Введение связующего вещества в состав исходной смеси для получения заявленного материала активирует образование и увеличивает содержание в фазовом составе тетраборида хрома. Увеличение содержания связующего вещества (связующего в исходной смеси) в фазовом составе будет приводить к снижению твердости и термостойкости и оказывать влияние на значение модулей упругости материала. Уменьшение содержания связующего вещества (содержания связующего в исходной смеси) будет приводить к уменьшению образования и содержания в фазовом составе твердосплавного материала тетраборида хрома. Связующее вещество представляет собой борид металла или смесь боридов металлов, которые обладают более низкой температурой плавления и используются в качестве связующего в твердосплавных материалах.With a decrease in the content of chromium tetraboride, the hardness of the carbide material itself will decrease. With an increase in the content of chromium tetraboride, a decrease in the ratio of the shear modulus to the compression modulus is observed, which ultimately will not allow to achieve the technical result. The introduction of a binder into the composition of the initial mixture to obtain the claimed material activates the formation and increases the content of chromium tetraboride in the phase composition. An increase in the content of the binder (binder in the initial mixture) in the phase composition will lead to a decrease in hardness and heat resistance and affect the value of the elastic moduli of the material. Reducing the content of the binder (the content of the binder in the initial mixture) will lead to a decrease in the formation and content in the phase composition of the hard alloy material of chromium tetraboride. The binder is a metal boride or a mixture of metal borides, which have a lower melting point and are used as a binder in carbide materials.
Технический результат достигается также для композитного материала на основе тетраборида хрома, фазовый состав которого включает тетраборид хрома, диборид хрома, алмаз и связующее вещество, при этом содержание этих компонентов составляет:
CrB4 40% - 55%
CrB2 13% - 40%
алмаз 10% - 25%
связующее вещество 10% - 15%,
где связующее вещество представляет собой борид металла или смесь боридов металла, выбранного из группы кобальт, медь, никель, алюминий.The technical result is also achieved for a composite material based on chromium tetraboride, the phase composition of which includes chromium tetraboride, chromium diboride, diamond and a binder, while the content of these components is:
CrB4 40% - 55%
CrB2 13% - 40%
diamond 10% - 25%
binder 10% - 15%,
where the binder is a metal boride or a mixture of metal borides selected from the group of cobalt, copper, nickel, aluminum.
CrB4 40% - 55%
CrB2 13% - 40%
алмаз 10% - 25%
связующее вещество 10% - 15%,
где связующее вещество представляет собой борид металла или смесь боридов металла, выбранного из группы кобальт, медь, никель, алюминий.The technical result is also achieved for a composite material based on chromium tetraboride, the phase composition of which includes chromium tetraboride, chromium diboride, diamond and a binder, while the content of these components is:
CrB4 40% - 55%
CrB2 13% - 40%
diamond 10% - 25%
binder 10% - 15%,
where the binder is a metal boride or a mixture of metal borides selected from the group of cobalt, copper, nickel, aluminum.
Введение алмаза позволяет существенно увеличить износостойкость композитного материала. При этом термостойкость и упругие модули меняются незначительно. Увеличение содержания алмазов более 30% приводит к снижению отношения модуля сдвига к модулю сжатия и не позволяет получить материал с нужными характеристиками, а также алмазы плохо удерживаются в матрице композита. Уменьшение содержания алмазов в составе ниже 10% не приводит к увеличению износостойкости композитного материала и оказывает влияние только на содержание тетраборида хрома в композите.The introduction of diamond makes it possible to significantly increase the wear resistance of the composite material. In this case, the thermal stability and elastic moduli change insignificantly. An increase in the diamond content of more than 30% leads to a decrease in the ratio of the shear modulus to the compression modulus and does not make it possible to obtain a material with the desired characteristics, and diamonds are poorly retained in the composite matrix. Reducing the content of diamonds in the composition below 10% does not increase the wear resistance of the composite material and only affects the content of chromium tetraboride in the composite.
Кобальт, медь, никель, алюминий, за счет своих свойств, в частности температуры плавления, используются в качестве связующего, которое в процессе получения материала расплавляется, занимает пространство между частицами хрома и бора, обеспечивает при этом перенос тепла и массоперенос через расплав.Cobalt, copper, nickel, aluminum, due to their properties, in particular the melting point, are used as a binder, which melts during the production of the material, occupies the space between the particles of chromium and boron, while ensuring heat transfer and mass transfer through the melt.
Для достижения технического результата допустимо содержание в материалах примесей до 1%.To achieve the technical result, the content of impurities in the materials up to 1%.
Из заявленных материалов получают изделия различной формы либо материалы могут быть нанесены в качестве слоя на поверхность какого-либо изделия.Products of various shapes are obtained from the claimed materials, or the materials can be applied as a layer on the surface of any product.
В качестве связующего вещества может выступать борид кобальта или смесь боридов кобальта состава CoxB, где x – число от 1 до 3. При получении заявленного материала образуется смесь боридов кобальта, которая может включать один или несколько боридов кобальта: CoB, Co2B Co3B. Соотношение между разными боридами кобальта не оказывает существенного влияния на свойства твердосплавного материала при условии общего содержания боридов кобальта в составе материала в качестве связующего вещества от 10% до 15%.Cobalt boride or a mixture of cobalt borides of composition Co x B, where x is a number from 1 to 3, can act as a binder. Upon receipt of the claimed material, a mixture of cobalt borides is formed, which may include one or more cobalt borides: CoB, Co 2 B Co 3 B. The ratio between different cobalt borides does not significantly affect the properties of the hardmetal material, provided that the total content of cobalt borides in the composition of the material as a binder is from 10% to 15%.
В состав связующего вещества могут быть дополнительно включены борид металла, выбранного из группы: титан, гафний, ниобий или другие металлы со схожими свойствами. Это позволяет снизить количество борида металла с меньшей температурой плавления и обеспечить связывание свободного бора в составе материала.The composition of the binder may additionally include a metal boride selected from the group: titanium, hafnium, niobium or other metals with similar properties. This makes it possible to reduce the amount of metal boride with a lower melting point and ensure the binding of free boron in the composition of the material.
Заявленные материалы могут дополнительно включать алмазный слой. При формировании алмазного слоя используются синтетические алмазные микропорошки с размерами частиц от 3 до 20 мкм.The claimed materials may additionally include a diamond layer. When forming the diamond layer, synthetic diamond micropowders with particle sizes from 3 to 20 microns are used.
Заявленные материалы дополнительно могут включать также слой, выполненный из твердосплавного материала на основе карбида вольфрама, в частности фазовый состав которого может включать 92% карбида вольфрама и 8% кобальта. Содержание карбида вольфрама может меняться от 90% до 94%, остальное – кобальт. Либо из любых других известных твердосплавных материалов. The claimed materials may additionally also include a layer made of hard material based on tungsten carbide, in particular the phase composition of which may include 92% tungsten carbide and 8% cobalt. The content of tungsten carbide can vary from 90% to 94%, the rest is cobalt. Or from any other known carbide materials.
Твердосплавный или композитный материал на основе тетраборида хрома может быть соединен с одним из двух или двумя слоями одновременно – алмазным и/или твердосплавным.Carbide or composite material based on chromium tetraboride can be combined with one of two or two layers at the same time - diamond and / or carbide.
Технический результат достигается при осуществлении способа получения твердосплавного материала, который включает стадии подготовки исходной смеси, которая включает порошки диборида хрома (60 – 75 масс.%), бора (15 % – 28 %) и связующего (8 % - 12%), прессование исходной смеси при давлении от 30 МПа до 50 МПа в вакууме при температуре от 1200°С до 1400°С от 30 до 60 минут, спекание спрессованного материала в камере высокого давления при температуре от 1100 °С до 1600 °С и давлении от 1,0 до 7,0 ГПа в течение от 1 до 10 минут.The technical result is achieved by implementing a method for producing hard alloy material, which includes the stages of preparing the initial mixture, which includes powders of chromium diboride (60 - 75 wt.%), boron (15% - 28%) and a binder (8% - 12%), pressing the initial mixture at a pressure of 30 MPa to 50 MPa in a vacuum at a temperature of 1200°C to 1400°C from 30 to 60 minutes, sintering the pressed material in a high pressure chamber at a temperature of 1100°C to 1600°C and a pressure of 1, 0 to 7.0 GPa for 1 to 10 minutes.
Технический результат достигается за счет состава исходной смеси, соотношение компонентов которой обеспечивает получение материала с фазовым составом, при котором достигается технический результат, а также условий прессования и синтеза (спекания), при которых обеспечивается образование от 45% до 60% тетраборида хрома из диборида хрома путем массопереноса бора через расплав связующего.The technical result is achieved due to the composition of the initial mixture, the ratio of the components of which ensures the production of a material with a phase composition, under which the technical result is achieved, as well as the conditions of pressing and synthesis (sintering), which ensure the formation of 45% to 60% chromium tetraboride from chromium diboride by mass transfer of boron through the binder melt.
Связующее обеспечивает в этих условиях связывание свободного бора и образование в результате боридов металла, которые выступают также в качестве связующего вещества для образующихся в процессе синтеза частиц тетраборида хрома и непрореагировавших частиц диборида хрома.The binder provides, under these conditions, the binding of free boron and the formation of metal borides as a result, which also act as a binder for the chromium tetraboride particles formed during the synthesis and unreacted chromium diboride particles.
Технический результат достигается также при осуществлении способа получения композитного материала, который включает стадии подготовки исходной смеси, которая включает порошки диборида хрома (45 – 65 масс.%), бора (15 % – 20 %), связующего (10 % - 12%), алмаза (8 % - 25%), прессования исходной смеси при давлении от 30 МПа до 50 МПа в вакууме при температуре от 1000 °С до 1200°С от 5 до 10 минут, спекания спрессованного материала в камере высокого давления при температуре от 1100 °С до 1500 °С и давлении от 1,0 до 7,0 ГПа в течение от 1 до 10 минут.The technical result is also achieved when implementing a method for producing a composite material, which includes the stages of preparing the initial mixture, which includes powders of chromium diboride (45 - 65 wt.%), boron (15% - 20%), binder (10% - 12%), diamond (8% - 25%), pressing the initial mixture at a pressure of 30 MPa to 50 MPa in vacuum at a temperature of 1000 ° C to 1200 ° C for 5 to 10 minutes, sintering the pressed material in a high pressure chamber at a temperature of 1100 ° C C to 1500 °C and pressure from 1.0 to 7.0 GPa for 1 to 10 minutes.
Технический результат достигается за счет содержания исходных компонентов в смеси и условий синтеза, при которых происходит образование тетраборида хрома с содержанием от 40% до 55%, а также при которых не происходит графитизация алмазов.The technical result is achieved due to the content of the initial components in the mixture and the synthesis conditions under which the formation of chromium tetraboride with a content of 40% to 55% occurs, and also under which graphitization of diamonds does not occur.
Условия прессования в диапазонах заявленных способов обеспечивают необходимую плотность укладки порошков, при которой при дальнейшем спекании обеспечивается образование тетраборида хрома. Условия спекания в заявленных диапазонах обеспечивают образование из диборида хрома тетраборида хрома в материалах, а также спекание алмазов с остальными компонентами в композитном материале на основе тетраборида хрома. Увеличение давления при спекании нецелесообразно, т.к. не оказывает существенного положительного влияния на свойства получаемых материалов, однако затрудняет практическую применимость способа, а увеличение температуры может приводить к графитизации алмазов в композитном материале.Pressing conditions in the ranges of the claimed methods provide the necessary packing density of the powders, at which, during further sintering, the formation of chromium tetraboride is ensured. Sintering conditions in the stated ranges provide the formation of chromium tetraboride from chromium diboride in materials, as well as sintering of diamonds with other components in a composite material based on chromium tetraboride. Increasing the pressure during sintering is impractical, because does not have a significant positive effect on the properties of the obtained materials, however, it complicates the practical applicability of the method, and an increase in temperature can lead to graphitization of diamonds in the composite material.
Уменьшение температуры и давления не будет обеспечивать образование тетраборида хрома в нужном количестве, что не позволит достичь технический результат.Reducing the temperature and pressure will not ensure the formation of chromium tetraboride in the required amount, which will not allow to achieve the technical result.
При получении заявленные материалы могут иметь любую форму в зависимости, например, от формы компакта, полученного в результате прессования.Upon receipt, the claimed materials may have any shape depending on, for example, the shape of the compact obtained by pressing.
Связующим может быть порошок кобальта, который при получении материалов выступает и как связующее между частицами других компонентов, и при этом обеспечивает связывание свободного бора с образованием боридов кобальта. Дополнительно связующее может включать порошок металла, выбранного из группы гафний, ниобий, титан и другие металлы с аналогичными свойствами, которые обеспечат связывание свободного бора в составе материалов.The binder can be cobalt powder, which, when obtaining materials, also acts as a binder between particles of other components, and at the same time provides binding of free boron with the formation of cobalt borides. Additionally, the binder may include a powder of a metal selected from the group of hafnium, niobium, titanium and other metals with similar properties, which will ensure the binding of free boron in the composition of materials.
В способах получения твердосплавного или композитного материала порошок диборида хрома может иметь размер частиц от 1 до 10 мкм. Более крупные размеры частиц приводят к более медленному переходу диборида хрома в тетраборид хрома. При меньшем размере частиц в порошках содержится больше примесей, что может вызывать технологические затруднения при получении твердосплавного или композитного материала на основе тетраборида хрома.In processes for producing a carbide or composite material, the chromium diboride powder may have a particle size of 1 to 10 microns. Larger particle sizes lead to a slower transition of chromium diboride to chromium tetraboride. With a smaller particle size, the powders contain more impurities, which can cause technological difficulties in obtaining a hard alloy or composite material based on chromium tetraboride.
В способах получения твердосплавного или композитного материала порошок бора может иметь размер частиц менее 3 мкм и содержать 99,0% и более бора, порошок кобальта может иметь размер частиц от 0,2 мкм до 2,0 мкм и содержать 99,5% кобальта или более. При таком размере частиц и чистоте исходных порошков лучше происходит взаимодействие компонентов и получение материалов с заявленным фазовым составом.In processes for producing hard alloy or composite material, boron powder may have a particle size of less than 3 μm and contain 99.0% or more boron, cobalt powder may have a particle size of 0.2 μm to 2.0 μm and contain 99.5% cobalt or more. With such a particle size and purity of the initial powders, the interaction of the components and the production of materials with the stated phase composition are better.
В способе получения композитного материала на основе тетраборида хрома порошок алмаза может иметь размеры частиц от 10 мкм до 60 мкм. При меньшем размере алмазных частиц они не обеспечивают увеличения износостойкости материала, при большем размере частиц - плохо удерживаются в матрице композита.In the method for producing a composite material based on chromium tetraboride, the diamond powder may have particle sizes from 10 µm to 60 µm. With a smaller size of diamond particles, they do not provide an increase in the wear resistance of the material, with a larger particle size, they are poorly retained in the composite matrix.
Коэффициент формы частиц алмазного порошка может составлять от 1,2 до 1,3.The particle shape factor of the diamond powder can be from 1.2 to 1.3.
К спрессованному материалу дополнительно может быть добавлен алмазный слой и затем проведено спекание. Алмазный слой может быть выполнен из микропорошка алмаза с размером частиц от 3 мкм до 20 мкм.An additional diamond layer can be added to the pressed material and then sintering is carried out. The diamond layer can be made of diamond micropowder with a particle size of 3 µm to 20 µm.
К спрессованному материалу, дополнительно может быть добавлена подложка из твердосплавного материала на основе карбида вольфрама, в частности, фазовый состав такого материала может соответствовать 92% карбида вольфрама и 8% кобальта.To the pressed material, a substrate of tungsten carbide-based carbide material can be additionally added, in particular, the phase composition of such material can correspond to 92% tungsten carbide and 8% cobalt.
Также слой твердосплавного материала может быть добавлен к спрессованному материалу, с одной стороны которого добавлен алмазный слой, а затем проведено спекание.Also, a layer of carbide material can be added to the pressed material, on one side of which a diamond layer is added, and then sintering is carried out.
Технический результат достигается для пластины, выполненной из твердосплавного материала на основе тетраборида хрома, фазовый состав которого включает тетраборид хрома, диборид хрома и связующее вещество, при этом содержание этих компонентов составляет:
CrB4 45% - 60%
CrB2 25% - 45%
связующее вещество 10% - 15%,
где связующее вещество представляет собой борид металла или смесь боридов металла, выбранного из группы кобальт, медь, никель, алюминий.The technical result is achieved for a plate made of a hard alloy material based on chromium tetraboride, the phase composition of which includes chromium tetraboride, chromium diboride and a binder, while the content of these components is:
CrB4 45% - 60%
CrB 2 25% - 45%
binder 10% - 15%,
where the binder is a metal boride or a mixture of metal borides selected from the group of cobalt, copper, nickel, aluminum.
CrB4 45% - 60%
CrB2 25% - 45%
связующее вещество 10% - 15%,
где связующее вещество представляет собой борид металла или смесь боридов металла, выбранного из группы кобальт, медь, никель, алюминий.The technical result is achieved for a plate made of a hard alloy material based on chromium tetraboride, the phase composition of which includes chromium tetraboride, chromium diboride and a binder, while the content of these components is:
CrB4 45% - 60%
binder 10% - 15%,
where the binder is a metal boride or a mixture of metal borides selected from the group of cobalt, copper, nickel, aluminum.
А также для пластины, выполненной из композитного материала на основе тетраборида хрома, фазовый состав которого включает тетраборид хрома, диборид хрома, алмаз и связующее вещество, при этом содержание этих компонентов составляет:
CrB4 40% - 55%
CrB2 13% - 40%
алмаз 10% - 25%
связующее вещество 10% - 15%,
где связующее вещество представляет собой борид металла или смесь боридов металла, выбранного из группы кобальт, медь, никель, алюминий.And also for a plate made of a composite material based on chromium tetraboride, the phase composition of which includes chromium tetraboride, chromium diboride, diamond and a binder, while the content of these components is:
CrB4 40% - 55%
CrB2 13% - 40%
diamond 10% - 25%
binder 10% - 15%,
where the binder is a metal boride or a mixture of metal borides selected from the group of cobalt, copper, nickel, aluminum.
CrB4 40% - 55%
CrB2 13% - 40%
алмаз 10% - 25%
связующее вещество 10% - 15%,
где связующее вещество представляет собой борид металла или смесь боридов металла, выбранного из группы кобальт, медь, никель, алюминий.And also for a plate made of a composite material based on chromium tetraboride, the phase composition of which includes chromium tetraboride, chromium diboride, diamond and a binder, while the content of these components is:
CrB4 40% - 55%
CrB2 13% - 40%
diamond 10% - 25%
binder 10% - 15%,
where the binder is a metal boride or a mixture of metal borides selected from the group of cobalt, copper, nickel, aluminum.
В качестве связующего может выступать борид или смесь боридов кобальта состава CoxB, где x – число от 1 до 3. Связующее может дополнительно включать бориды металла, выбранного из группы титан, ниобий, гафний, цирконий. Толщина заявленных пластин может составлять от 3 мм до 10 мм.The binder may be a boride or a mixture of cobalt borides of the composition Co x B, where x is a number from 1 to 3. The binder may additionally include borides of a metal selected from the group titanium, niobium, hafnium, zirconium. The thickness of the claimed plates can range from 3 mm to 10 mm.
Заявленные пластины дополнительно могут содержать алмазный слой, толщина которого может составлять от 0,5 мм до 3 мм. При этом алмазный слой может быть выполнен из алмазного микропорошка с размером частиц от 3 мкм до 20 мкм. Claimed plates may additionally contain a diamond layer, the thickness of which can be from 0.5 mm to 3 mm. In this case, the diamond layer can be made of diamond micropowder with a particle size of 3 µm to 20 µm.
Заявленные пластины дополнительно могут содержать также слой, выполненный из твердосплавного материала на основе карбида вольфрама. Такой слой могут также содержать заявленные пластины, которые содержат дополнительно алмазный слой. Фазовый состав этого слоя может включать 92% карбида вольфрама и 8% кобальта. Толщина такого слоя может составлять от 2 мм до 5 мм.Claimed plates additionally may also contain a layer made of carbide material based on tungsten carbide. Such a layer may also contain the claimed plates, which additionally contain a diamond layer. The phase composition of this layer may include 92% tungsten carbide and 8% cobalt. The thickness of such a layer can be from 2 mm to 5 mm.
Технический результат достигается также для режущего и бурового инструмента, которые включают корпус и по меньшей мере одну заявленную пластину.The technical result is also achieved for cutting and drilling tools, which include a body and at least one claimed plate.
Технический результат достигается за счет того, что инструменты содержат элементы, выполненные из заявленных материалов.The technical result is achieved due to the fact that the tools contain elements made of the claimed materials.
Технический результат достигается для способа бурения подземных пород, при котором бурение проводят буровым инструментом, который включает корпус и по меньшей мере одну заявленную пластину. Достижение технического результата обеспечивается за счет использования бурового инструмента, который включает по меньшей мере одну пластину, выполненную из заявленного твердосплавного или композитного материала на основе тетраборида хрома, которые обеспечивают высокую износостойкость, твердость, термостойкость и модули упругости, при которых обеспечивается одновременно высокая прочность на изгиб и сжатие. Это обеспечивает высокую эффективность заявленного способа.The technical result is achieved for a method of drilling underground rocks, in which drilling is carried out with a drilling tool that includes a body and at least one claimed plate. The achievement of the technical result is achieved through the use of a drilling tool, which includes at least one plate made of the claimed carbide or composite material based on chromium tetraboride, which provide high wear resistance, hardness, heat resistance and elastic moduli, which simultaneously provide high bending strength. and compression. This ensures high efficiency of the proposed method.
Приведенные ниже примеры реализации служат для иллюстрации изобретения, но не должны рассматриваться, как ограничивающие изобретение.The following examples of implementation serve to illustrate the invention, but should not be construed as limiting the invention.
[Фиг.1] дифрактограмма двух образцов твердосплавного материала на основе тетраборида хрома, где 1 – образец, полученный прессованием смеси, которая состоит из 70% диборида хрома, 20% бора и 10% кобальта, при давлении 50 МПа в вакууме при температуре 1400 °С 30 минут и спеканием при давлении 1,5 ГПа и температуре 1200 °С 10 минут, 2 – образец, полученный прессованием смеси, которая состоит из 75% диборида хрома, 15% бора и 10% кобальта, при давлении 30 МПа при температуре 1200 °С 40 минут и спеканием при давлении 5,0 ГПа и температуре 1400 °С 5 минут.[Fig.1] X-ray diffraction pattern of two samples of carbide material based on chromium tetraboride, where 1 is a sample obtained by pressing a mixture that consists of 70% chromium diboride, 20% boron and 10% cobalt, at a pressure of 50 MPa in a vacuum at a temperature of 1400 ° C 30 minutes and sintering at a pressure of 1.5 GPa and a temperature of 1200 °C for 10 minutes, 2 - a sample obtained by pressing a mixture that consists of 75% chromium diboride, 15% boron and 10% cobalt, at a pressure of 30 MPa at a temperature of 1200 °C for 40 minutes and sintering at a pressure of 5.0 GPa and a temperature of 1400 °C for 5 minutes.
[Фиг.2] график относительного изменения массы образцов при их нагреве на воздухе до 1000 °С: 3 – твердосплавного материала на основе тетраборида хрома, 4 – твердосплавного материала на основе карбида вольфрама.[Figure 2] a graph of the relative change in the mass of the samples when they are heated in air to 1000 ° C: 3 - carbide material based on chromium tetraboride, 4 - carbide material based on tungsten carbide.
[Фиг.3] снимок, полученный с помощью электронной сканирующей микроскопии, на котором представлена микроструктура твердосплавного материала на основе тетраборида хрома после нагрева на воздухе до 1000 °С, где 5 – слой образующейся в результате термического воздействия защитной пленки.[Fig. 3] An image obtained by scanning electron microscopy, which shows the microstructure of a carbide material based on chromium tetraboride after heating in air to 1000 ° C, where 5 is a layer of a protective film formed as a result of thermal exposure.
Пример 1. Готовят исходную смесь, содержащую 70 % по массе порошка диборида хрома (размер частиц, ТУ 6-09-03-385-76, бор общий-29,5%, бор свободный-0,5%, углерод общий-0,3%, количество основного вещества 99,1%), 20% по массе порошка бора (бор аморфный ТУ 2112-001-49534204-2003, цвет черный, размер частиц менее 3 мкм, содержание основного элемента 99,2%, основные примеси: магний, железо, кремний, содержание кислорода до 0,5%) и 10 % порошка кобальта (DIACOB1500, средний размер частиц 1,0-1,5мкм, содержание основного элемента ≥99,5%, примеси: никель и кислород). Приготовленную смесь помещают в графитовую пресс-форму и подвергают прессованию в вакуумируемой камере при давлении 50 МПа и температуре 1400 °С в течение 30 минут. В результате получают спрессованный в виде таблетки образец, который подвергают спеканию в камере высокого давления при давлении 1,5 ГПа и температуре 1200°С в течение 10 минут. В результате был получен образец диаметром 11 мм и толщиной 5 мм с фазовым составом CrB4 - 50%, CrB2 - 38%, СoxB - 12%. Example 1. An initial mixture is prepared containing 70% by weight of chromium diboride powder (particle size, TU 6-09-03-385-76, total boron-29.5%, free boron-0.5%, total carbon-0 .3%, the amount of the main substance is 99.1%), 20% by weight of boron powder (amorphous boron TU 2112-001-49534204-2003, black color, particle size less than 3 microns, content of the main element 99.2%, main impurities : magnesium, iron, silicon, oxygen content up to 0.5%) and 10% cobalt powder (DIACOB1500, average particle size 1.0-1.5μm, main element content ≥99.5%, impurities: nickel and oxygen). The prepared mixture is placed in a graphite mold and pressed in an evacuated chamber at a pressure of 50 MPa and a temperature of 1400 °C for 30 minutes. As a result, a tablet-compressed sample is obtained, which is subjected to sintering in a high-pressure chamber at a pressure of 1.5 GPa and a temperature of 1200°C for 10 minutes. As a result, a sample with a diameter of 11 mm and a thickness of 5 mm was obtained with a phase composition of CrB 4 - 50%, CrB 2 - 38%, Co x B - 12%.
Пример 2. Готовят исходную смесь, содержащую 75% по массе порошка диборида хрома (размер частиц, ТУ 6-09-03-385-76, бор общий-29,5%, бор свободный-0,5%, углерод общий-0,3%, количество основного вещества 99,1%), 15% по массе порошка бора (бор аморфный ТУ 2112-001-49534204-2003, цвет черный, размер частиц менее 3 мкм, содержание основного элемента 99,2%, основные примеси: магний, железо, кремний, содержание кислорода до 0,5%) и 10% порошка кобальта (DIACOB1500, средний размер частиц 1,0-1,5мкм, содержание основного элемента ≥99,5%, примеси: никель и кислород). Приготовленную смесь помещают в графитовую пресс-форму и подвергают прессованию в вакуумируемой камере при давлении 30 МПа и температуре 1200 °С в течение 40 минут. В результате получают спрессованный в виде таблетки образец, который подвергают спеканию в камере высокого давления при давлении 5,0 ГПа и температуре 1400°С в течение 5 минут. В результате был получен образец диаметром 11 мм и толщиной 5 мм с фазовым составом CrB4 - 55%, CrB2 - 33%, СoxB - 12%. Example 2. An initial mixture is prepared containing 75% by weight of chromium diboride powder (particle size, TU 6-09-03-385-76, total boron-29.5%, free boron-0.5%, total carbon-0 .3%, the amount of the main substance is 99.1%), 15% by weight of boron powder (amorphous boron TU 2112-001-49534204-2003, black color, particle size less than 3 microns, content of the main element 99.2%, main impurities : magnesium, iron, silicon, oxygen content up to 0.5%) and 10% cobalt powder (DIACOB1500, average particle size 1.0-1.5μm, main element content ≥99.5%, impurities: nickel and oxygen). The prepared mixture is placed in a graphite mold and subjected to pressing in an evacuated chamber at a pressure of 30 MPa and a temperature of 1200 °C for 40 minutes. As a result, a tablet-compressed sample is obtained, which is subjected to sintering in a high-pressure chamber at a pressure of 5.0 GPa and a temperature of 1400° C. for 5 minutes. As a result, a sample with a diameter of 11 mm and a thickness of 5 mm was obtained with a phase composition of CrB 4 - 55%, CrB 2 - 33%, Co x B - 12%.
На фигуре 1 представлены дифрактограммы для образцов из примеров 1 и 2, а также даны эталонные дифрактограммы тетраборида и диборида хрома. Точками отмечены пики, принадлежащие боридам кобальта. Фазовый состав полученных образцов определяли с помощью рентгенофазового анализа (погрешность метода может составлять от 1 до 2%).The figure 1 shows the diffraction patterns for samples from examples 1 and 2, and also given the reference diffractograms of tetraboride and chromium diboride. Dots mark peaks belonging to cobalt borides. The phase composition of the obtained samples was determined using X-ray phase analysis (the error of the method can be from 1 to 2%).
Аналогично примерам 1 и 2, при различных температурах и давлениях был получен ряд образцов из твердосплавного и композитного материала на основе тетраборида хрома.Similar to examples 1 and 2, at various temperatures and pressures, a number of samples were obtained from hard alloy and composite material based on chromium tetraboride.
Для подтверждения достижения технического результата провели исследование свойств полученных материалов на основе тетраборида хрома, а также коммерчески доступного твердосплавного материала на основе карбида вольфрама (ВК8, фазовый состав: 92% карбида вольфрама WC и 8% кобальта).To confirm the achievement of the technical result, we studied the properties of the obtained materials based on chromium tetraboride, as well as commercially available hard-alloy material based on tungsten carbide (VK8, phase composition: 92% tungsten carbide WC and 8% cobalt).
Результаты исследований твердости образцов подтверждают достижение технического результата в части получения материалов на основе тетраборида хрома с высокой твердостью.The results of the study of the hardness of the samples confirm the achievement of the technical result in terms of obtaining materials based on chromium tetraboride with high hardness.
Твердость полученных материалов оценивали по диаметру отпечатка от вдавливания алмазного конуса в полированную поверхность композитов на основе боридов хрома при нагрузке 600 Н. Для всех образцов твердосплавного материала на основе тетраборида хрома твердость составила от 32 до 36 ГПа. Для образцов композитного материала на основе тетраборида хрома с алмазным порошком твердость составила от 35 до 41 ГПа. Твердость образцов твердосплавного материала на основе карбида вольфрама составила 27 ГПа. В таблице 1 приведены примеры значения твердости для нескольких образцов.The hardness of the obtained materials was estimated from the diameter of the indentation from the indentation of a diamond cone into the polished surface of composites based on chromium borides at a load of 600 N. For all samples of hard alloy material based on chromium tetraboride, the hardness was from 32 to 36 GPa. For samples of a composite material based on chromium tetraboride with diamond powder, the hardness ranged from 35 to 41 GPa. The hardness of samples of hard alloy material based on tungsten carbide was 27 GPa. Table 1 shows examples of hardness values for several samples.
Тесты на износостойкость проводили на абразивном круге из зеленого карбида кремния (1А1 350х40х127 63С). Износостойкость оценивали по площади износа композитов после 30 проходов. Фазовый состав и результаты теста для нескольких образцов также приведены в таблице 1. В части условия получения образцов указан состав исходной смеси в масс.% с характеристиками порошков аналогично указанным в примерах 1 и 2. Процессы прессования проводились аналогично тому, как указано в примерах 1 и 2.Wear resistance tests were carried out on a green silicon carbide abrasive wheel (1A1 350x40x127 63C). Wear resistance was evaluated by the wear area of the composites after 30 passes. The phase composition and test results for several samples are also shown in Table 1. In terms of the conditions for obtaining samples, the composition of the initial mixture in wt.% is indicated with powder characteristics similar to those indicated in examples 1 and 2. The pressing processes were carried out in the same way as indicated in examples 1 and 2.
Состав исходной смеси, % по массеThe composition of the initial mixture,% by weight | Условия спеканияSintering conditions | Фазовый состав композитаPhase composition of the composite |
Площадь пятна износа на абразивном круге, мм2 Wear scar area on the abrasive wheel, mm 2 |
Твердость, ГПаHardness, GPa |
Крошка твердого сплава с составом 92WC-8CoCarbide crumb with composition 92WC-8Co |
7,0 ГПа, 1400 °С, 2 мин.7.0 GPa, 1400 °С, 2 minutes. |
WC – 92%, Co – 8%WC - 92%, Co - 8% |
4,30 4.30 | 2727 |
60% CrB2, 28% В, 12% Со60% CrB2, 28% B, 12% Co |
5,0 ГПа, 1300 °С, 3 мин.5.0 GPa, 1300 °С, 3 min. |
CrB4 - 45% CrB2 - 43% СoxB - 12% CrB4 - 45% CrB 2 - 43% Co x B - 12% |
3,90 3.90 | 3232 |
66% CrB2, 24% В, 10% Со66% CrB2 , 24% B, 10% Co |
5,0 ГПа, 1400 °С, 2 мин.5.0 GPa, 1400 °С, 2 minutes. |
CrB4 - 55% CrB2 - 30% СoxB - 15%CrB 4 - 55% CrB 2 - 30% Co x B - 15% | 3,55 3.55 | 3535 |
70% CrB2, 22% В, 8% Со70% CrB2 , 22% B, 8% Co |
7,0 ГПа, 1500 °С, 2 мин.7.0 GPa, 1500 °С, 2 minutes. |
CrB4 - 58% CrB2 - 30% СoxB - 12%CrB 4 - 58% CrB 2 - 30% Co x B - 12% | 3,40 3.40 | 3636 |
65% CrB2,15% В, 10% Со, 10% С (С - алмаз 28/20 мкм).65% CrB 2 , 15% B, 10% Co, 10% C (C - diamond 28/20 microns). |
5,0 ГПа, 1500 °С, 3 мин.5.0 GPa, 1500 °С, 3 min. |
CrB4 - 40% CrB2 - 38% СoxB – 12% алмаз – 10% CrB4 - 40% CrB 2 - 38% Co x B - 12% diamond - 10% |
2,75 2.75 | 3838 |
60% CrB2, 18% В, 12% Со, 10% С (С - алмаз 28/20 мкм).60% CrB2 , 18% B, 12% Co, 10% C (C - diamond 28/20 microns). |
7,0 ГПа, 1600 °С, 5 мин.7.0 GPa, 1600 °С, 5 minutes. |
CrB4 - 55% CrB2 - 20% СoxB – 15% алмаз – 10% CrB4 - 55% CrB 2 - 20% Co x B - 15% diamond - 10% |
2,40 2.40 | 4141 |
60% CrB2, 20% В, 10% Со, 10% С (С - алмаз 28/20 мкм).60% CrB 2 , 20% B, 10% Co, 10% C (C - diamond 28/20 microns). |
7,0 ГПа, 1600 °С, 3 мин.7.0 GPa, 1600 °С, 3 min. |
CrB4 - 50% CrB2 - 28% СoxB – 12% алмаз – 10%CrB 4 - 50% CrB 2 - 28% Co x B - 12% diamond - 10% |
2,552.55 | 4040 |
Как видно из таблицы 1 площадь износа для образца из твердосплавного материала на основе карбида вольфрама больше по сравнению с образцами из твердосплавного материала на основе тетраборида хрома и значительно больше по сравнению с образцами из композитного материала на основе тетраборида хрома, что подтверждает достижение технического результата в части высокой износостойкости.As can be seen from Table 1, the wear area for a sample of a hard-alloy material based on tungsten carbide is larger compared to samples of a hard-alloy material based on chromium tetraboride and is significantly larger compared to samples of a composite material based on chromium tetraboride, which confirms the achievement of the technical result in terms of high wear resistance.
Модули упругости материалов рассчитывали из скорости прохождения ультразвука через образцы диаметром 11 мм и высотой 5 мм. Результаты представлены в таблице 2. Прессование смесей проводили в вакуумируемой камере при давлении 30 МПа и температуре 1200 °С в течение 30 минут.The elastic moduli of the materials were calculated from the velocity of ultrasound passing through samples 11 mm in diameter and 5 mm high. The results are presented in Table 2. The mixtures were pressed in an evacuated chamber at a pressure of 30 MPa and a temperature of 1200°C for 30 minutes.
Состав исходной смеси, % по массе | Режимы спекания | Фазовый состав композита | G, ГПа | B, ГПа | E, ГПа | Отношение G/B |
92WC-8Co, твердосплавная стружка | 7,0 ГПа, 1400 °С, 2 мин. | WC - 92%, Co -8% | 186 | 222 | 445 | 0,84 |
73% CrB2, 15% В, 12% Со | 7,0 ГПа, 1300 °С, 2 мин. | CrB4 - 45% CrB2 - 40% СoxB - 15% | 193 | 184 | 389 | 1,05 |
66% CrB2, 22% В, 12% Со | 7,0 ГПа, 1400 °С, 2 мин. | CrB4 - 50% CrB2 - 35% СoxB - 15% | 224 | 206 | 443 | 1,09 |
66% CrB2, 22% В, 12% Со | 7,0 ГПа, 1500°С, 3 мин. | CrB4 - 60% CrB2 - 25% СoxB - 15% | 235 | 254 | 493 | 0,93 |
65% CrB2,15% В, 10% Со, 10% алмаз | 7,0 ГПа, 1350 °С, 2 мин. | CrB4 - 45% CrB2 - 33% СoxB - 12% алмаз -10% | 198 | 215 | 425 | 0,92 |
60% CrB2, 20% В, 12% Со, 8% алмаз | 7,0 ГПа, 1450 °С, 2 мин. | CrB4 - 55% CrB2 - 20% СoxB - 15% алмаз -10% | 242 | 267 | 477 | 0,91 |
45% CrB2, 20% В, 10% Со, 25% алмаз | 1,5 ГПа, 1100 °С, 10 мин. | CrB4 - 45% CrB2 - 18% СoxB - 12% алмаз -25% | 182 | 194 | 370 | 0,94 |
45% CrB2, 20% В, 10% Со, 25% алмаз | 1,5 ГПа, 1200 °С, 10 мин. | CrB4 - 50% CrB2 - 13% СoxB - 12% алмаз -25% | 192 | 189 | 392 | 1,02 |
B – модуль сжатия
E – модуль Юнга.
The composition of the initial mixture,% by weight | Sintering modes | Phase composition of the composite | G, GPa | B, GPa | E, GPa | G/B ratio |
92WC-8Co, carbide chips | 7.0 GPa, 1400 °С, 2 minutes. | WC - 92%, Co -8% | 186 | 222 | 445 | 0.84 |
73% CrB 2 , 15% B, 12% Co | 7.0 GPa, 1300 °С, 2 minutes. | CrB 4 - 45% CrB 2 - 40% Co x B - 15% | 193 | 184 | 389 | 1.05 |
66% CrB 2 , 22% B, 12% Co | 7.0 GPa, 1400 °С, 2 minutes. | CrB 4 - 50% CrB 2 - 35% Co x B - 15% | 224 | 206 | 443 | 1.09 |
66% CrB 2 , 22% B, 12% Co | 7.0 GPa, 1500°C, 3 min. | CrB 4 - 60% CrB 2 - 25% Co x B - 15% | 235 | 254 | 493 | 0.93 |
65% CrB 2 , 15% B, 10% Co, 10% diamond | 7.0 GPa, 1350 °С, 2 minutes. | CrB 4 - 45% CrB 2 - 33% Co x B - 12% diamond -10% | 198 | 215 | 425 | 0.92 |
60% CrB 2 , 20% B, 12% Co, 8% diamond | 7.0 GPa, 1450 °С, 2 minutes. | CrB 4 - 55% CrB 2 - 20% Co x B - 15% diamond -10% | 242 | 267 | 477 | 0.91 |
45% CrB 2 , 20% B, 10% Co, 25% diamond | 1.5 GPa, 1100 °C, 10 min. | CrB 4 - 45% CrB 2 - 18% Co x B - 12% diamond -25% | 182 | 194 | 370 | 0.94 |
45% CrB 2 , 20% B, 10% Co, 25% diamond | 1.5 GPa, 1200 °C, 10 min. | CrB 4 - 50% CrB 2 - 13% Co x B - 12% diamond -25% | 192 | 189 | 392 | 1.02 |
B - compression modulus
E is Young's modulus.
Из таблицы 2 видно, что не смотря на высокие значения модуля Юнга соотношение модуля сдвига к модулю сжатия для образца из твердосплавного материала на основе карбида вольфрама меньше 0,9. Для образцов из твердосплавного и композитного материала на основе тетраборида хрома получены также достаточно высокие значения модуля Юнга, но при этом для них характерно отношение модуля сдвига к модулю сжатия 0,9 или более. Полученные результаты также подтверждают достижение технического результата.Table 2 shows that despite the high values of the Young's modulus, the ratio of the shear modulus to the compression modulus for a sample of carbide material based on tungsten carbide is less than 0.9. For specimens made of hard alloy and composite material based on chromium tetraboride, rather high values of Young's modulus were also obtained, but at the same time, they are characterized by a ratio of shear modulus to compression modulus of 0.9 or more. The obtained results also confirm the achievement of the technical result.
Температурную устойчивость полученных образцов оценивали по результатам термогравиметрического анализа. Образцы заявленного материала и твердого сплава на основе карбида вольфрама (ВК8) массой около 20 мг нагревали на воздухе до 1000 °С со скоростью 10°С/мин. Как видно из фигуры 2 твердосплавный материал на основе тетраборида хрома практически не меняют свой вес в интервале температур 400-1000 °С. В то же время твердый сплав во время нагрева разрушается и окисляется. Активно процесс окисления идет при температурах выше 800 °С и сопровождается значительным увеличением массы образцов. Материалы на основе боридов хрома не разрушаются благодаря образованию на их поверхности стекловидной защитной пленки ( ). Композитным материалам на основе тетраборида хрома также характерна высокая термостойкость за счет образования стекловидной пленки на поверхности, которая оказывает защитное действие на алмазы, которые входят в состав композитного материала, и предотвращает их разрушение и графитизацию.The temperature stability of the obtained samples was evaluated by the results of thermogravimetric analysis. Samples of the claimed material and hard alloy based on tungsten carbide (VK8) weighing about 20 mg were heated in air to 1000°C at a rate of 10°C/min. As can be seen from figure 2, the hard-alloy material based on chromium tetraboride practically does not change its weight in the temperature range of 400-1000 °C. At the same time, the hard alloy breaks down and oxidizes during heating. The oxidation process is active at temperatures above 800°C and is accompanied by a significant increase in the weight of the samples. Materials based on chromium borides are not destroyed due to the formation of a vitreous protective film on their surface ( ). Composite materials based on chromium tetraboride are also characterized by high heat resistance due to the formation of a vitreous film on the surface, which has a protective effect on diamonds, which are part of the composite material, and prevents their destruction and graphitization.
Таким образом, приведенные примеры и результаты исследований свойств полученных образцов из твердосплавного и композитного материалов на основе тетраборида хрома подтверждают достижение технического результата: получение материала с высокой твердостью, износостойкостью, термостойкостью и одновременно высокой прочностью на изгиб и сжатие.Thus, the examples given and the results of studying the properties of the obtained samples from hard alloy and composite materials based on chromium tetraboride confirm the achievement of the technical result: obtaining a material with high hardness, wear resistance, heat resistance and at the same time high bending and compressive strength.
Патентная литератураPatent Literature
1. US 20140262542 «Downhole tools including ternary boride-based cermet and methods of making the same», опубл. 18.09.2014 г., МПК: E21B 10/567, B24D 8/00.1. US 20140262542 "Downhole tools including ternary boride-based cermet and methods of making the same", publ. 09/18/2014, IPC: E21B 10/567, B24D 8/00.
2. US6007922 «Chromium boride coatings», опубл. 28.12.1999г., МПК: B22F 7/04, B05D 5/00.2. US6007922 "Chromium boride coatings", publ. 12/28/1999, IPC: B22F 7/04, B05D 5/00.
Claims (65)
- Твердосплавный материал на основе тетраборида хрома, фазовый состав которого включает тетраборид хрома, диборид хрома и связующее вещество, при этом содержание этих компонентов составляет:
CrB4 45% - 60%
CrB2 25% - 45%
связующее вещество 10% - 15%,
где связующее вещество представляет собой борид металла или смесь боридов металла, выбранного из группы кобальт, медь, никель, алюминий.Carbide material based on chromium tetraboride, the phase composition of which includes chromium tetraboride, chromium diboride and a binder, while the content of these components is:
CrB4 45% - 60%
CrB 2 25% - 45%
binder 10% - 15%,
where the binder is a metal boride or a mixture of metal borides selected from the group of cobalt, copper, nickel, aluminum. - Твердосплавный материал на основе тетраборида хрома по п.1, в котором связующее вещество представляет собой борид кобальта или смесь боридов кобальта состава CoxB, где x - число от 1 до 3.The carbide material based on chromium tetraboride according to claim 1, in which the binder is a cobalt boride or a mixture of cobalt borides of the composition Co x B, where x is a number from 1 to 3.
- Твердосплавный материал на основе тетраборида хрома по п.1, в котором связующее вещество дополнительно содержит борид металла, выбранного из группы титан, ниобий, гафний, цирконий.A carbide material based on chromium tetraboride according to claim 1, in which the binder additionally contains a metal boride selected from the group of titanium, niobium, hafnium, zirconium.
- Твердосплавный материал на основе тетраборида хрома по п.1, который дополнительно содержит алмазный слой.The carbide material based on chromium tetraboride according to claim 1, which additionally contains a diamond layer.
- Твердосплавный материал на основе тетраборида хрома по п.4, в котором алмазный слой выполнен из алмазного микропорошка с размером частиц от 3 мкм до 20 мкм.The carbide material based on chromium tetraboride according to claim 4, in which the diamond layer is made of diamond micropowder with a particle size of 3 µm to 20 µm.
- Твердосплавный материал на основе тетраборида хрома по п.1 или п. 4, который дополнительно содержит слой, выполненный из твердосплавного материала на основе карбида вольфрама. The carbide material based on chromium tetraboride according to claim 1 or claim 4, which further comprises a layer made of hard metal based on tungsten carbide.
- Твердосплавный материал на основе тетраборида хрома по п.6, в котором фазовый состав твердосплавного материала на основе карбида вольфрама включает 92% карбида вольфрама и 8% кобальта.The chromium tetraboride carbide material according to claim 6, wherein the phase composition of the tungsten carbide carbide material comprises 92% tungsten carbide and 8% cobalt.
- Композитный материал на основе тетраборида хрома, фазовый состав которого включает тетраборид хрома, диборид хрома, алмаз и связующее вещество, при этом содержание этих компонентов составляет:
CrB4 40% - 55%
CrB2 13% - 40%
алмаз 10% - 25%
связующее вещество 10% - 15%,
где связующее вещество представляет собой борид металла или смесь боридов металла, выбранного из группы кобальт, медь, никель, алюминий.A composite material based on chromium tetraboride, the phase composition of which includes chromium tetraboride, chromium diboride, diamond and a binder, the content of these components being:
CrB4 40% - 55%
CrB2 13% - 40%
diamond 10% - 25%
binder 10% - 15%,
where the binder is a metal boride or a mixture of metal borides selected from the group of cobalt, copper, nickel, aluminum. - Композитный материал на основе тетраборида хрома по п.8, в котором связующее вещество представляет собой борид кобальта или смесь боридов кобальта состава CoxB, где x - число от 1 до 3.The chromium tetraboride composite material according to claim 8, wherein the binder is cobalt boride or a mixture of cobalt borides of composition Co x B, where x is a number from 1 to 3.
- Композитный материал на основе тетраборида хрома по п.8, в котором связующее вещество дополнительно содержит борид металла, выбранного из группы титан, ниобий, гафний, цирконий.Composite material based on chromium tetraboride according to claim 8, in which the binder additionally contains a metal boride selected from the group of titanium, niobium, hafnium, zirconium.
- Композитный материал на основе тетраборида хрома по п.8, который дополнительно содержит алмазный слой.Composite material based on chromium tetraboride according to claim 8, which additionally contains a diamond layer.
- Композитный материал на основе тетраборида хрома по п.11, в котором алмазный слой выполнен из алмазного микропорошка с размером частиц от 3 мкм до 20 мкм.Composite material based on chromium tetraboride according to claim 11, in which the diamond layer is made of diamond micropowder with a particle size of 3 µm to 20 µm.
- Композитный материал на основе тетраборида хрома по п.8 или п.11, который дополнительно содержит слой, выполненный из твердосплавного материала на основе карбида вольфрама.The chromium tetraboride composite material according to claim 8 or claim 11, which further comprises a layer made of tungsten carbide hardmetal material.
- Композитный материал на основе тетраборида хрома по п.13, в котором фазовый состав твердосплавного материала на основе карбида вольфрама включает 92% карбида вольфрама и 8% кобальта.The chromium tetraboride composite material of claim 13, wherein the phase composition of the tungsten carbide carbide material comprises 92% tungsten carbide and 8% cobalt.
- Способ получения твердосплавного материала на основе тетраборида хрома, включающий стадии:
- подготовка исходной смеси, которая включает порошки
диборида хрома 60 % – 75 %
бора 15 % – 28 %
связующее 8 % – 12%,
где связующее представляет собой порошок металла, выбранного из группы кобальт, медь, никель, алюминий;
- прессование исходной смеси при давлении от 30 МПа до 50 МПа в вакууме при температуре от 1200 °С до 1400°С от 30 до 60 минут;
- спекание спрессованного материала в камере высокого давления при температуре от 1100 °С до 1600 °С и давлении от 1,0 до 7,0 ГПа в течение от 1 до 10 минут.A method for producing a hard alloy material based on chromium tetraboride, comprising the steps:
- preparation of the initial mixture, which includes powders
chromium diboride 60% - 75%
boron 15% - 28%
binder 8% - 12%,
where the binder is a powder of a metal selected from the group of cobalt, copper, nickel, aluminum;
- pressing the initial mixture at a pressure of 30 MPa to 50 MPa in vacuum at a temperature of 1200 °C to 1400 °C for 30 to 60 minutes;
- sintering of the pressed material in a high pressure chamber at a temperature of 1100 °C to 1600 °C and a pressure of 1.0 to 7.0 GPa for 1 to 10 minutes. - Способ получения твердосплавного материала на основе тетраборида хрома по п. 15, в котором связующее представляет собой порошок кобальта.The method for producing a carbide material based on chromium tetraboride according to claim 15, in which the binder is a cobalt powder.
- Способ получения твердосплавного материала на основе тетраборида хрома по п.15, в котором связующее дополнительно включает порошок металла, выбранного из группы титан, ниобий, гафний, цирконий.The method for producing a hard alloy material based on chromium tetraboride according to claim 15, in which the binder additionally includes a powder of a metal selected from the group of titanium, niobium, hafnium, zirconium.
- Способ получения твердосплавного материала на основе тетраборида хрома по п. 15, в котором порошок диборида хрома имеет размер частиц от 1 до 10 мкм.A method for producing a hard alloy material based on chromium tetraboride according to claim 15, wherein the chromium diboride powder has a particle size of 1 to 10 µm.
- Способ получения твердосплавного материала на основе тетраборида хрома по п. 15, в котором порошок бора имеет размер частиц менее 3 мкм и содержит 99,0% бора или более.The method for producing a chromium tetraboride hard alloy material according to claim 15, wherein the boron powder has a particle size of less than 3 µm and contains 99.0% or more of boron.
- Способ получения твердосплавного материала на основе тетраборида хрома по п. 16, в котором порошок кобальта имеет размер частиц от 0,2 мкм до 2,0 мкм и содержит 99,5% кобальта или более.The method for producing a hard alloy material based on chromium tetraboride according to claim 16, wherein the cobalt powder has a particle size of 0.2 µm to 2.0 µm and contains 99.5% or more cobalt.
- Способ получения твердосплавного материала на основе тетраборида хрома по п.15, в котором к спрессованному материалу дополнительно добавляют алмазный слой и затем проводят спекание.The method for producing a hard alloy material based on chromium tetraboride according to claim 15, wherein a diamond layer is further added to the compacted material and then sintering is carried out.
- Способ получения твердосплавного материала на основе тетраборида хрома по п.21, в котором алмазный слой выполнен из микропорошка алмаза с размером частиц от 10 мкм до 60 мкм.The method for producing a hard alloy material based on chromium tetraboride according to claim 21, in which the diamond layer is made of diamond micropowder with a particle size of 10 µm to 60 µm.
- Способ получения твердосплавного материала на основе тетраборида хрома по п.15 или п. 21, в котором к спрессованному материалу дополнительно добавляют слой твердосплавного материала на основе карбида вольфрама и затем проводят спекание.The method for producing a chromium tetraboride hardmetal material according to claim 15 or claim 21, wherein a layer of tungsten carbide based hardmetal material is further added to the compacted material and then sintering is performed.
- Способ получения твердосплавного материала на основе тетраборида хрома по п. 23, в котором слой твердосплавного материала, выполненный на основе карбида вольфрама, состоит из 92% карбида вольфрама и 8% кобальта.The method for producing a hardmetal material based on chromium tetraboride according to claim 23, wherein the layer of hardmetal material based on tungsten carbide consists of 92% tungsten carbide and 8% cobalt.
- Способ получения композитного материала на основе тетраборида хрома, включающий стадии:
- подготовка исходной смеси, которая включает порошки
диборида хрома 45 % – 65 %
бора 15 % – 20 %
алмаза 8 % – 25%
связующее 10 % – 12%,
где связующее представляет собой порошок металла, выбранного из группы кобальт, медь, никель, алюминий;
- прессование исходной смеси при давлении от 30 МПа до 50 МПа в вакууме при температуре от 1000 °С до 1200°С от 5 до 10 минут;
- спекание спрессованного материала в камере высокого давления при температуре от 1100 °С до 1500 °С и давлении от 1,0 до 7,0 ГПа в течение от 1 до 10 минут.A method for producing a composite material based on chromium tetraboride, including the steps:
- preparation of the initial mixture, which includes powders
chromium diboride 45% - 65%
boron 15% - 20%
diamond 8% - 25%
binder 10% - 12%,
where the binder is a powder of a metal selected from the group of cobalt, copper, nickel, aluminum;
- pressing the initial mixture at a pressure of 30 MPa to 50 MPa in a vacuum at a temperature of 1000°C to 1200°C for 5 to 10 minutes;
- sintering of the pressed material in a high-pressure chamber at a temperature of 1100 °C to 1500 °C and a pressure of 1.0 to 7.0 GPa for 1 to 10 minutes. - Способ получения композитного материала на основе тетраборида хрома по п.25, в котором связующее представляет собой порошок кобальта.The method for producing a composite material based on chromium tetraboride according to claim 25, in which the binder is a cobalt powder.
- Способ получения твердосплавного материала на основе тетраборида хрома по п.25, в котором связующее дополнительно включает порошок металла, выбранного из группы титан, ниобий, гафний, цирконий.The method for producing a hard alloy material based on chromium tetraboride according to claim 25, in which the binder additionally includes a powder of a metal selected from the group of titanium, niobium, hafnium, zirconium.
- Способ получения композитного материала на основе тетраборида хрома по п.25, в котором порошок диборида хрома имеет размер частиц от 1 до 10 мкм. A method for producing a composite material based on chromium tetraboride according to claim 25, wherein the chromium diboride powder has a particle size of 1 to 10 µm.
- Способ получения композитного материала на основе тетраборида хрома по п.25, в котором порошок бора имеет размер частиц менее 3 мкм и содержит 99,0% бора или более.The method for producing a chromium tetraboride composite material according to claim 25, wherein the boron powder has a particle size of less than 3 µm and contains 99.0% or more of boron.
- Способ получения композитного материала на основе тетраборида хрома по п.25, в котором порошок алмаза имеет размеры частиц от 10 мкм до 60 мкм.A method for producing a composite material based on chromium tetraboride according to claim 25, wherein the diamond powder has a particle size of 10 µm to 60 µm.
- Способ получения композитного материала на основе тетраборида хрома по п.30, в котором коэффициент формы частиц порошка алмаза составляет от 1,2 до 1,3.The method for producing a composite material based on chromium tetraboride according to claim 30, wherein the particle shape factor of the diamond powder is from 1.2 to 1.3.
- Способ получения композитного материала на основе тетраборида хрома по п.26, в котором порошок кобальта имеет размер частиц от 0,2 мкм до 2,0 мкм и содержит 99,5% кобальта или более.The method for producing a chromium tetraboride composite material according to claim 26, wherein the cobalt powder has a particle size of 0.2 µm to 2.0 µm and contains 99.5% or more cobalt.
- Способ получения композитного материала на основе тетраборида хрома по п.25, в котором к спрессованному материалу дополнительно добавляют алмазный слой и затем проводят спекание.The method for producing a composite material based on chromium tetraboride according to claim 25, wherein a diamond layer is additionally added to the pressed material and then sintering is carried out.
- Способ получения композитного материала на основе тетраборида хрома по п.33, в котором алмазный слой выполнен из микропорошка алмаза с размером частиц от 3 мкм до 20 мкм.A method for producing a composite material based on chromium tetraboride according to claim 33, in which the diamond layer is made of diamond micropowder with a particle size of 3 µm to 20 µm.
- Способ получения композитного материала на основе тетраборида хрома по п.25 или п. 33, в котором к спрессованному материалу дополнительно добавляют слой твердосплавного материала на основе карбида вольфрама и затем проводят спекание.The method for producing a chromium tetraboride composite material according to claim 25 or claim 33, wherein a layer of tungsten carbide-based carbide material is further added to the compacted material, and then sintering is carried out.
- Способ получения композитного материала на основе тетраборида хрома по п.35, в котором слой твердосплавного материала, выполненный на основе карбида вольфрама, состоит из 92% карбида вольфрама и 8% кобальта.The method for producing a chromium tetraboride composite material according to claim 35, wherein the tungsten carbide-based hardmetal material layer consists of 92% tungsten carbide and 8% cobalt.
- Пластина, выполненная из твердосплавного материала на основе тетраборида хрома, фазовый состав которого включает тетраборид хрома, диборид хрома и связующее вещество, при этом содержание этих компонентов составляет:
CrB4 45% - 60%
CrB2 25% - 45%
связующее вещество 10% - 15%,
где связующее вещество представляет собой борид металла или смесь боридов металла, выбранного из группы кобальт, медь, никель, алюминий.A plate made of a hard alloy material based on chromium tetraboride, the phase composition of which includes chromium tetraboride, chromium diboride and a binder, while the content of these components is:
CrB4 45% - 60%
CrB 2 25% - 45%
binder 10% - 15%,
where the binder is a metal boride or a mixture of metal borides selected from the group of cobalt, copper, nickel, aluminum. - Пластина по п.37, в которой связующее вещество представляет собой борид кобальта или смесь боридов кобальта состава CoxB, где x - число от 1 до 3.The plate according to claim 37, wherein the binder is cobalt boride or a mixture of cobalt borides of composition Co x B, where x is a number from 1 to 3.
- Пластина по п.37, в которой связующее вещество дополнительно содержит борид металла, выбранного из группы титан, ниобий, гафний, цирконий.The plate according to claim 37, in which the binder additionally contains a metal boride selected from the group of titanium, niobium, hafnium, zirconium.
- Пластина по п.37, которая дополнительно содержит алмазный слой.The plate according to claim 37, which further comprises a diamond layer.
- Пластина по п.40, в которой алмазный слой выполнен из алмазного микропорошка с размером частиц от 3 мкм до 20 мкм.The plate according to claim 40, in which the diamond layer is made of diamond micropowder with a particle size of 3 µm to 20 µm.
- Пластина по п.40, в которой толщина алмазного слоя составляет от 0,5 мм до 3 мм.The plate according to claim 40, wherein the thickness of the diamond layer is between 0.5 mm and 3 mm.
- Пластина по п.37, которая дополнительно содержит слой, выполненный из твердосплавного материала на основе карбида вольфрама.The insert according to claim 37, which further comprises a layer made of tungsten carbide based carbide material.
- Пластина по п.43, в которой фазовый состав твердосплавного материала на основе карбида вольфрама включает 92% карбида вольфрама и 8% кобальта.The insert of claim 43 wherein the phase composition of the tungsten carbide based carbide material comprises 92% tungsten carbide and 8% cobalt.
- Пластина по п. 43, в которой толщина слоя, выполненного из твердосплавного материала на основе карбида вольфрама, составляет от 2 мм до 5 мм.The insert according to claim 43, wherein the thickness of the layer made of tungsten carbide based carbide material is between 2 mm and 5 mm.
- Пластина по п.40, которая дополнительно содержит слой, выполненный из твердосплавного материала на основе карбида вольфрама.The insert according to claim 40, which further comprises a layer made of a hard material based on tungsten carbide.
- Пластина по п.46, в которой фазовый состав твердосплавного материала на основе карбида вольфрама включает 92% карбида вольфрама и 8% кобальта.The insert of claim 46 wherein the phase composition of the tungsten carbide carbide material comprises 92% tungsten carbide and 8% cobalt.
- Пластина по п. 46, в которой толщина слоя, выполненного из твердосплавного материала на основе карбида вольфрама, составляет от 2 мм до 5 мм.The insert according to claim 46, wherein the thickness of the layer made of tungsten carbide based carbide material is between 2 mm and 5 mm.
- Пластина по п. 37, толщина которой составляет от 3 мм до
10 мм.Plate according to claim 37, the thickness of which is from 3 mm to
10 mm. - Пластина, выполненная из композитного материала на основе тетраборида хрома, фазовый состав которого включает тетраборид хрома, диборид хрома, алмаз и связующее вещество, при этом содержание этих компонентов составляет:
CrB4 40% - 55%
CrB2 13% - 40%
алмаз 10% - 25%
связующее вещество 10% - 15%,
где связующее вещество представляет собой борид металла или смесь боридов металла, выбранного из группы кобальт, медь, никель, алюминий.A plate made of a composite material based on chromium tetraboride, the phase composition of which includes chromium tetraboride, chromium diboride, diamond and a binder, the content of these components being:
CrB4 40% - 55%
CrB2 13% - 40%
diamond 10% - 25%
binder 10% - 15%,
where the binder is a metal boride or a mixture of metal borides selected from the group of cobalt, copper, nickel, aluminum. - Пластина по п.50, в которой связующее вещество представляет собой борид кобальта или смесь боридов кобальта состава CoxB, где x - число от 1 до 3.The plate according to claim 50, wherein the binder is cobalt boride or a mixture of cobalt borides of composition Co x B, where x is a number from 1 to 3.
- Пластина по п.50, в которой связующее вещество дополнительно содержит борид металла, выбранного из группы титан, ниобий, гафний, цирконий.The plate according to claim 50, in which the binder additionally contains a metal boride selected from the group of titanium, niobium, hafnium, zirconium.
- Пластина по п.50, которая дополнительно содержит алмазный слой.The plate according to claim 50, which further comprises a diamond layer.
- Пластина по п.53, в которой алмазный слой выполнен из алмазного микропорошка с размером частиц от 3 мкм до 20 мкм.The plate according to claim 53, in which the diamond layer is made of diamond micropowder with a particle size of 3 µm to 20 µm.
- Пластина по п.53, в которой толщина алмазного слоя составляет от 0,5 мм до 3 мм.The plate according to claim 53, wherein the thickness of the diamond layer is between 0.5 mm and 3 mm.
- Пластина по п.50, которая дополнительно содержит слой, выполненный из твердосплавного материала на основе карбида вольфрама.The insert according to claim 50, which further comprises a layer made of a hard material based on tungsten carbide.
- Пластина по п.56, в которой фазовый состав твердосплавного материала на основе карбида вольфрама включает 92% карбида вольфрама и 8% кобальта.The insert of claim 56 wherein the phase composition of the tungsten carbide carbide material comprises 92% tungsten carbide and 8% cobalt.
- Пластина по п.56, в которой толщина слоя, выполненного из твердосплавного материала на основе карбида вольфрама, составляет от 2 мм до 5 мм.The insert according to claim 56, wherein the thickness of the layer made of tungsten carbide based carbide material is 2 mm to 5 mm.
- Пластина по п.53, которая дополнительно содержит слой, выполненный из твердосплавного материала на основе карбида вольфрама.The insert according to claim 53, which further comprises a layer made of tungsten carbide-based carbide material.
- Пластина по п.59, в которой фазовый состав твердосплавного материала на основе карбида вольфрама включает 92% карбида вольфрама и 8% кобальта.An insert as claimed in claim 59, wherein the phase composition of the tungsten carbide carbide material comprises 92% tungsten carbide and 8% cobalt.
- Пластина по п.59, в которой толщина слоя, выполненного из твердосплавного материала на основе карбида вольфрама, составляет от 2 мм до 5 мм.The insert according to claim 59, wherein the thickness of the layer made of tungsten carbide based carbide material is 2 mm to 5 mm.
- Пластина по п.50, толщина которой составляет от 3 мм до
10 мм.Plate according to claim 50, the thickness of which is from 3 mm to
10 mm. - Режущий инструмент, включающий корпус и по меньшей мере одну пластину, выполненную по любому из пп. 37 - 62.A cutting tool, including a body and at least one plate, made according to any one of paragraphs. 37 - 62.
- Буровой инструмент, включающий корпус и по меньшей мере одну пластину, выполненную по любому из пп. 37 - 62.Drilling tool, including a body and at least one plate, made according to any one of paragraphs. 37 - 62.
- Способ бурения подземных пород, при котором бурение проводят буровым инструментом по п. 64.A method of drilling underground rocks, in which drilling is carried out with a drilling tool according to clause 64.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020124724A RU2753339C1 (en) | 2020-07-25 | 2020-07-25 | Materials based on chromium tetraboride and methods for production thereof |
RU2020124724 | 2020-07-25 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2022025800A1 true WO2022025800A1 (en) | 2022-02-03 |
Family
ID=77348976
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/RU2021/050213 WO2022025800A1 (en) | 2020-07-25 | 2021-07-13 | Chromium tetraboride-based materials and methods for producing same |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2753339C1 (en) |
WO (1) | WO2022025800A1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2244763C1 (en) * | 2003-10-13 | 2005-01-20 | Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет (ВолгГАСУ) | Sintered solid alloy |
UA63469C2 (en) * | 2003-04-23 | 2006-01-16 | V M Bakul Inst For Superhard M | Diamond-hard-alloy plate |
UA98889C2 (en) * | 2011-04-04 | 2012-06-25 | Институт сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины | Superhard composite material |
US20140262542A1 (en) * | 2013-03-15 | 2014-09-18 | Smith International, Inc. | Downhole tools including ternary boride-based cermet and methods of making the same |
-
2020
- 2020-07-25 RU RU2020124724A patent/RU2753339C1/en active
-
2021
- 2021-07-13 WO PCT/RU2021/050213 patent/WO2022025800A1/en active Application Filing
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
UA63469C2 (en) * | 2003-04-23 | 2006-01-16 | V M Bakul Inst For Superhard M | Diamond-hard-alloy plate |
RU2244763C1 (en) * | 2003-10-13 | 2005-01-20 | Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет (ВолгГАСУ) | Sintered solid alloy |
UA98889C2 (en) * | 2011-04-04 | 2012-06-25 | Институт сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины | Superhard composite material |
US20140262542A1 (en) * | 2013-03-15 | 2014-09-18 | Smith International, Inc. | Downhole tools including ternary boride-based cermet and methods of making the same |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
N.A. BONDARENKO, A.S. OSIPOV, V. A. MECHNIK, I. A. PETRUSHA, G. P. GAZHA: "Burovoy instrument, osnashchenny termostoykimi rezhushchimi vstavkami ATP [Drilling tool equipped with heat-resistant ATP cutting inserts]", ROZVIDKA TA ROZROBKA NAFTOVIKH I GAZOVIKH RODOVISHCH [PROSPECTING AND DEVELOPMENT OF OIL AND GAS FIELDS], no. 4(25), 30 November 2006 (2006-11-30), Ukraine, pages 14 - 18, XP009534725, ISSN: 1993-9973 * |
WANG S., YU X., ZHANG J., ZHANG Y., WANG L., LEINENWEBER K., XU H., POPOV D., PARK C., YANG W., HE D., ZHAO Y.: "Crystal structures, elastic properties, and hardness of high-pressure synthesized CrB2 and CrB4", JOURNAL OF SUPERHARD MATERIALS, ALLERTON PRESS, NEW YORK, NY, US, vol. 36, no. 4, 1 July 2014 (2014-07-01), US , pages 279 - 287, XP055904616, ISSN: 1063-4576, DOI: 10.3103/S1063457614040066 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2753339C1 (en) | 2021-08-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8936665B2 (en) | Diamond metal composite | |
JP5619006B2 (en) | Hard metal | |
JP6806792B2 (en) | Sintered carbide with a structure that increases toughness | |
US8506881B2 (en) | Intermetallic bonded diamond composite composition and methods of forming articles from same | |
US20110020163A1 (en) | Super-Hard Enhanced Hard Metals | |
KR20110099684A (en) | Polycrystalline Diamond Composite Compact Element, Tool Comprising The Same And Method For Making The Same | |
JP2004505786A (en) | Manufacturing method of polishing products containing diamond | |
TW201111321A (en) | Tough coated hard particles consolidated in a tough matrix material | |
JP3949181B2 (en) | Diamond sintered body using hard alloy as binder and method for producing the same | |
CN110267759A (en) | Tungsten tetraboride composite matrix and its use | |
US20230037181A1 (en) | Polycrystalline cubic boron nitride material | |
WO2022025800A1 (en) | Chromium tetraboride-based materials and methods for producing same | |
JP2003095743A (en) | Diamond sintered body and method for producing the same | |
WO2003057936A1 (en) | Metal carbide composite | |
TW202323547A (en) | Cemented carbide and cermet compositions having a high-entropy-alloy binder | |
JP4140930B2 (en) | Intragranular dispersion strengthened WC-containing cemented carbide and process for producing the same | |
JP3481702B2 (en) | Cubic boron nitride sintered body using hard alloy as binder and method for producing the same | |
WO2023248318A1 (en) | Wear-resistant member | |
Gorla | Impact resistance and energies of intermetallic bonded diamond composites and polycrystalline diamond compacts and their comparison | |
JPH1192852A (en) | Intergranular metal dispersion strengthened wc-containing cemented carbide and its production | |
Shul’zhenko et al. | Diamond polycrystalline composite material and its properties | |
JPS63143237A (en) | Sintered body for high hardness tool and manufacture thereof | |
JPS63121631A (en) | Production of sintered body for microworking tool for precision small parts | |
PL224205B1 (en) | Diamond matrix composite with ceramic binder phase and a method for its preparation |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 21849099 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 21849099 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |