Процессы и технологии синтеза алмазных поликристаллических композиционных материалов на основе разработанных сплавов-катализаторов Ni–X(Mo, Cr, Ti, B) (26.10.2009)

Автор: Лаптев Александр Иванович

"АСПК-3" 67,2 45,3–89,1

СКМ (ПЗИАиАИ) 5,1 2,5–7,3

Абразивный круг: 64С 25 СМ2 35м/с 300х40х76 ГОСТ 2424-83 ЧАЗ. Режимы резания: (6-8) м/с (500об/мин); 0,1 мм/об; гл. 0,1мм; 40 проходов "АСПК-2" 18,3 14,8–23,2

"АСПК-3" 23,5 22,0–25,2

АТП (ЛЗИАиАИ) 6,2 5,0–7,3

СВ 15БУ (ВНИИТС) 7,2 5,3–9,1

В алмазном инструменте, применяемом в камнеобработке, применяются шлифпорошки из АПКМ марок АРК4 и АРВ1. Методика испытания их на статическую прочность описана в ГОСТ 9206-80. Испытание шлифпорошков АРК4 на динамическую прочность изучено гораздо меньше. Поэтому мы провели дополнительные исследования шлифпорошков АРК4 как на статическую, так и динамическую прочность в сравнении с другими алмазными шлифпорошками. Из данных, приведенных в таблице 13, следует, что алмазные материалы одной статической прочности (АРК 400/315; А6К80 400/315; АС80 400/315) имеют разную динамическую прочность, причем методом классификации по форме можно выделить поликристаллические алмазные порошки АРК с повышенными прочностными свойствами. Применение упрочняющего дробления с целью разрушения слабых зерен позволяет повысить в 1,5 раза прочность АРК4, что целесообразно при его использовании в дорогостоящем алмазном инструменте, например бурового назначения (таблица 14).

Таблица 13 – Основные прочностные характеристики шлифпорошков АРК4

Характеристика алмазного шлифпорошка Динамическая прочность, мг

(по Фрайтестеру) Статическая прочность, Н Примечание

АРК 630/500 (без классификации по форме) 115 160 Условия испытаний по Фрайтестеру: навеска 400мг., количество ударов- 900

А6К80 400/315 115 120

АС80 400/315 140 128

SDA 100 40/50 297 -

АРК 400/315 к.ф. 1,34 160 88

АРК 400/315 к.ф. 1,64 145 75

АРК 400/315 к.ф. 2,0 105 68

Таблица 14 – Результаты упрочнения алмазных шлифпорошков АРК4.

Фракция Статическая прочность по ГОСТ 9206-80; F, Н После первичного дробления (общий выход фракций +400–87%) После упрочняющего дробления (общий выход фракций +400–30%)

Р, Н Р/РГОСТ Р, Н Р/РГОСТ

2000/1600 784 1612 2,06 2201 2,81

1600/1250 510 1007 1,97 1596 3,13

1250/1000 451 594 1,32 838 1,86

1000/800 367 405 1,1 615 1,68

В результате изучения механических свойств АПКМ установлено, что их отличает высокая твердость и износостойкость в сочетании с удовлетворительной прочностью и термостойкостью. Такое сочетание механических свойств АПКМ делает их перспективным для использования в широкой номенклатуре алмазных износостойких инструментов и позволило наладить выпуск конкурентоспособного алмазного инструмента для широкого круга использования.

В НИЛ ВТМ МИСиС налажено опытное производство АПКМ и различного алмазного инструмента (резцовых вставок, опор, выглаживателей). Разработаны технологии изготовления струеформирующих сопел из АПКМ с уникальным уровнем износостойкости, которые используются для газо- и жидкостноабразивной резки и обработки различных материалов (металлы, керамика, различные горные породы и пр.). С помощью подобных установок проводится резка различных материалов при заготовительных операциях, в особенности там, где огневая резка принципиально невозможна (резка органосодержащих композиционных материалов, например при утилизации военной техники), или там, где нагрев разрезаемого материала нежелателен из-за возможных изменений в структуре или прочностных характеристик; очистка внутренних поверхностей трубопроводов различных теплообменных систем от отложений, поскольку возможно использование длинномерных гибких питающих шлангов малого диаметра (катетеров). Возможно использование подобных устройств в двигателях коррекции орбиты в ракетной технике.

Наличие в институте современной лазерной установки позволило наладить выпуск сопел из собственного сырья. Разработка технологии алмазных формообразующих сопел для газо- и жидкостно-абразивной резки различных материалов из опытных АПКМ была отмечена дипломом Министерства науки и технологий РФ. Разработка технологии и освоение опытно-промышленного выпуска АПКМ и инструмента из них в условиях лаборатории ВТМ МИСиС позволило с 2000 года и по настоящее время выполнить хозяйственных договоров по поставке НТП более чем на 10 млн. рублей.

Основные выводы.

1. Предложен механизм формирования алмазного поликристаллического композиционного материала, основанный на том, что в процессе нагрева при высоком давлении сплав-катализатор переходит в жидкое состояние и формирует фронт кристаллизации алмаза, который перемещается от межфазной поверхности сплава-катализатора и графита к периферии исходного графита. Движущей силой проникновения расплава катализатора в зону кристаллизации алмаза является градиент давления, появляющийся при превращении графита в алмаз из-за объемного эффекта полиморфного превращения. При этом транспорт расплава катализатора в зону полиморфного перехода графит–алмаза в течение всего времени образования алмазного композиционного материала может протекать двумя способами: инфильтрацией по внутренним межкристаллитным каналам и течением по поверхности растущего композита, который реализуется преимущественно при высоких давлениях и повышенных скоростях его роста.

Экспериментально установлена линейная зависимость размера алмазного поликристаллического композиционного материала от времени его синтеза, при этом значение скорости его роста определяется давлением синтеза.

2. Установлено, что при синтезе алмазного поликристаллического композиционного материала в области термодинамической стабильности алмаза полиморфное превращение графит–алмаз происходит через параллельно протекающие твердофазные и жидкофазные процессы. Это проявляется в образовании промежуточных фаз (лонсдейлит), влиянии структурных свойств графита на процесс синтеза и подтверждается влиянием параметров синтеза на физические, механические и структурные свойства поликристаллов.

3. Установлены закономерности изменения структуры в процессе синтеза алмазного поликристаллического композиционного материала, выражающиеся в снижении упорядочения алмазных кристаллитов в направлении роста [110] с увеличением давления синтеза от 6,0 ГПа до 10-12 ГПа, что позволяет управлять свойствами получаемых композитов. Алмазная фаза, образует каркас с внутрикристаллитными изолированными и сквозными межкристаллитными включениями металлов.

4. Установлена связь между механическими свойствами сплавов-катализаторов и синтезируемых композитов, выражающаяся в том, что повышение прочности сплава-катализатора приводит к упрочнению металлической фазы и АПКМ в целом. Эта закономерность имеет место при условии сохранения пластических свойств металлической фазы, играющей роль связки. При образовании в процессе синтеза значительного количества карбидов, интерметаллидов, охрупчивающих связку, происходит снижение прочности алмазного композита.

Определены параметры синтеза АПКМ при использовании различных сплавов-катализаторов. Разработаны методы получения и составы сплавов-катализаторов, применение которых позволяет синтезировать алмазные поликристаллические композиционные материалы с повышенной прочностью и износостойкостью.

5. Изучены закономерности процесса окисления АПКМ. Показано, что процесс имеет сложный характер и определяется последовательно и параллельно протекающими реакциями при газификации алмаза. Выявлена зависимость между стойкостью к окислению алмазного композита и химическим составом его металлической фазы. Установлен механизм повышения термостойкости синтезируемых АПКМ легированием сплавов-катализаторов соединениями, формирующими защитные оксидные слои на поверхности алмазных композитов при их нагреве.

Разработаны составы сплавов-катализаторов, применение которых позволяет повысить температуру начала окисления поликристаллических алмазов с 910 до 1040 К и замедлить скорость их окисления при более высоких температурах за счет образования поверхностных оксидных пленок; увеличить температуру начала разупрочнения АПКМ с 970 до 1220 К за счет снижения термонапряжений, возникающих в них при нагреве.

6. При изучении синтеза алмазных материалов из различных (природных и искусственных) углеродных материалов установлено, что на процесс синтеза существенное влияние оказывают как структурные их характеристики, так и химический состав исходных углеродных материалов. Впервые изучен процесс образования поликристаллических алмазов из пирографита. Установлено, что образованию алмаза предшествует инкубационный период, в течение которого происходит частичное разрушение структуры исходного графита. При этом предпочтительной ориентации алмазных кристаллитов не наблюдается.

7. Установлено, что АПКМ обладают ферромагнитными свойствами из-за наличия в них включений сплава-катализатора, причем применение немагнитного сплава-катализатора (Х20Н80) также приводит к образованию ферромагнитных включений в процессе роста композита. Количество ферромагнитных включений в АПКМ зависит от условий их синтеза и при увеличении давления, уменьшении времени синтеза и размера композитов количество ферромагнитных включений снижается.

Для оценки прочностных свойств синтезируемых алмазных поликристаллических композиционных материалов рекомендован к использованию широкодиапазонный измеритель "Магнит 704", предназначенный для определения количества ферромагнитных включений в абразивных материалах. Данный метод применим для оценки пригодности алмазного композиционного материала как в однокристальном, так многокристальном инструменте.

8. В результате изучения механических свойств модифицированных АПКМ установлено, что их отличает высокая износостойкость в сочетании с удовлетворительной прочностью и термостойкостью. Такое сочетание механических свойств АПКМ делает их перспективным для изготовления алмазных износостойких инструментов.


загрузка...